Σύγχρονοι επεξεργαστέςέχουν το σχήμα ενός μικρού ορθογωνίου, το οποίο παρουσιάζεται σε μορφή γκοφρέτας πυριτίου. Η ίδια η πλάκα προστατεύεται από μια ειδική θήκη από πλαστικό ή κεραμικό. Όλα τα κύρια κυκλώματα προστατεύονται, χάρη σε αυτά, πραγματοποιείται η πλήρης λειτουργία της CPU. Αν με εμφάνισηόλα είναι εξαιρετικά απλά, τι αφορά το ίδιο το κύκλωμα και πώς λειτουργεί ο επεξεργαστής; Ας το δούμε αυτό με περισσότερες λεπτομέρειες.

Η CPU περιέχει μια μικρή ποσότητα διάφορα στοιχεία. Κάθε ένα από αυτά εκτελεί τη δική του δράση, μεταφέρονται δεδομένα και έλεγχος. Τακτικοί Χρήστεςχρησιμοποιείται για τη διάκριση των επεξεργαστών από την ταχύτητα ρολογιού, την ποσότητα της προσωρινής μνήμης και τους πυρήνες. Αλλά αυτό απέχει πολύ από όλα όσα παρέχουν αξιόπιστα και γρήγορη δουλειά. Αξίζει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή σε κάθε στοιχείο.

Αρχιτεκτονική

Ο εσωτερικός σχεδιασμός της CPU είναι συχνά διαφορετικός μεταξύ τους, κάθε οικογένεια έχει το δικό της σύνολο ιδιοτήτων και λειτουργιών - αυτό ονομάζεται αρχιτεκτονική της. Μπορείτε να δείτε ένα παράδειγμα σχεδίασης επεξεργαστή στην παρακάτω εικόνα.

Αλλά πολλοί συνηθίζουν να εννοούν μια ελαφρώς διαφορετική έννοια με την αρχιτεκτονική του επεξεργαστή. Αν το εξετάσουμε από την άποψη του προγραμματισμού, τότε καθορίζεται από την ικανότητά του να εκτελεί ένα συγκεκριμένο σύνολο κωδικών. Εάν αγοράσετε μια σύγχρονη CPU, τότε πιθανότατα ανήκει στην αρχιτεκτονική x86.

Πυρήνες

Το κύριο μέρος της CPU ονομάζεται πυρήνας, περιέχει όλα τα απαραίτητα μπλοκ, καθώς και την εκτέλεση λογικών και αριθμητικών εργασιών. Αν κοιτάξετε το παρακάτω σχήμα, μπορείτε να καταλάβετε πώς μοιάζει κάθε λειτουργικό μπλοκ του πυρήνα:

1. Μονάδα ανάκτησης οδηγιών.Εδώ, οι οδηγίες αναγνωρίζονται στη διεύθυνση, η οποία υποδεικνύεται στον μετρητή προγράμματος. Ο αριθμός της ταυτόχρονης ανάγνωσης των εντολών εξαρτάται άμεσα από τον αριθμό των εγκατεστημένων μπλοκ αποκρυπτογράφησης, γεγονός που βοηθά στη φόρτωση κάθε κύκλου εργασίας με τον μεγαλύτερο αριθμό εντολών.
2. πρόβλεψη μετάβασηςυπεύθυνος για βέλτιστη απόδοσημπλοκ ανάκτησης εντολών. Καθορίζει τη σειρά των εντολών που πρέπει να εκτελεστούν, φορτώνοντας τη διοχέτευση του πυρήνα.
3. Μονάδα αποκωδικοποίησης.Αυτό το τμήμα του πυρήνα είναι υπεύθυνο για τον καθορισμό ορισμένων διεργασιών για την εκτέλεση εργασιών. Η ίδια η εργασία αποκωδικοποίησης είναι πολύ δύσκολη λόγω του μεταβλητού μεγέθους της εντολής. Στους νεότερους επεξεργαστές, υπάρχουν πολλά τέτοια μπλοκ σε έναν πυρήνα.
4. Ενότητες δειγματοληψίας δεδομένων.Λαμβάνουν πληροφορίες από τη λειτουργική ή την κρυφή μνήμη. Πραγματοποιούν δειγματοληψία δεδομένων, η οποία είναι απαραίτητη αυτή τη στιγμή για την εκτέλεση της εντολής.
5. μπλοκ ελέγχου.Το ίδιο το όνομα μιλάει για τη σημασία αυτού του συστατικού. Στον πυρήνα, είναι το κύριο στοιχείο, αφού κατανέμει ενέργεια μεταξύ όλων των μπλοκ, βοηθώντας στην έγκαιρη ολοκλήρωση κάθε ενέργειας.
6. Μονάδα αποθήκευσης αποτελεσμάτων.Σχεδιασμένο για εγγραφή στη μνήμη RAM μετά την επεξεργασία της εντολής. Η διεύθυνση αποθήκευσης καθορίζεται στην εργασία που εκτελείται.
7. Στοιχείο διακοπής.Η CPU είναι σε θέση να εκτελεί πολλαπλές εργασίες ταυτόχρονα χάρη στη λειτουργία διακοπής, η οποία της επιτρέπει να σταματήσει την πρόοδο ενός προγράμματος μεταβαίνοντας σε άλλη εντολή.
8. Μητρώα.Τα προσωρινά αποτελέσματα των οδηγιών αποθηκεύονται εδώ, αυτό το στοιχείο μπορεί να ονομαστεί μικρή γρήγορη μνήμη RAM. Συχνά το μέγεθός του δεν υπερβαίνει τις αρκετές εκατοντάδες byte.
9. Μετρητής εντολών.Αποθηκεύει τη διεύθυνση της εντολής που θα χρησιμοποιηθεί στον επόμενο κύκλο επεξεργαστή.

Δίαυλος συστήματος

Οι συσκευές που αποτελούν μέρος ενός υπολογιστή συνδέονται μέσω του διαύλου συστήματος CPU. Μόνο αυτός συνδέεται απευθείας με αυτό, τα υπόλοιπα στοιχεία συνδέονται μέσω διαφόρων ελεγκτών. Ο ίδιος ο δίαυλος έχει πολλές γραμμές σήματος μέσω των οποίων μεταδίδονται πληροφορίες. Κάθε γραμμή έχει το δικό της πρωτόκολλο, το οποίο επιτρέπει στους ελεγκτές να επικοινωνούν με άλλα συνδεδεμένα στοιχεία υπολογιστή. Ο δίαυλος έχει τη δική του συχνότητα, αντίστοιχα, όσο υψηλότερη είναι, τόσο πιο γρήγορη είναι η ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των συνδετικών στοιχείων του συστήματος.

Προσωρινή μνήμη

Η ταχύτητα της CPU εξαρτάται από την ικανότητά της να ανακτά οδηγίες και δεδομένα από τη μνήμη όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Η προσωρινή μνήμη μειώνει τον χρόνο εκτέλεσης των λειτουργιών λόγω του γεγονότος ότι λειτουργεί ως προσωρινή προσωρινή μνήμη που παρέχει άμεση μεταφορά δεδομένων από την CPU στη RAM ή αντίστροφα.

Το κύριο χαρακτηριστικό της κρυφής μνήμης είναι η διαφορά στα επίπεδα. Εάν είναι υψηλό, τότε η μνήμη είναι πιο αργή και πιο ογκώδης. Η πιο γρήγορη και μικρότερη μνήμη είναι το πρώτο επίπεδο. Η αρχή λειτουργίας αυτού του στοιχείου είναι πολύ απλή - η CPU διαβάζει δεδομένα από τη μνήμη RAM και τα εισάγει σε μια κρυφή μνήμη οποιουδήποτε επιπέδου, ενώ διαγράφει τις πληροφορίες στις οποίες έχει πρόσβαση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Εάν ο επεξεργαστής χρειαστεί ξανά αυτές τις πληροφορίες, θα τις λάβει γρηγορότερα χάρη στο προσωρινό buffer.

Υποδοχή (βύσμα)

Λόγω του γεγονότος ότι ο επεξεργαστής έχει τη δική του υποδοχή (πρίζα ή υποδοχή), μπορείτε εύκολα να τον αντικαταστήσετε σε περίπτωση βλάβης ή αναβάθμισης του υπολογιστή σας. Χωρίς την υποδοχή, η CPU θα συγκολληθεί απλώς στη μητρική πλακέτα, καθιστώντας δύσκολη την επισκευή ή την αντικατάσταση αργότερα. Αξίζει να δώσετε προσοχή - κάθε υποδοχή έχει σχεδιαστεί αποκλειστικά για την εγκατάσταση ορισμένων επεξεργαστών.

Συχνά, οι χρήστες αγοράζουν ακούσια έναν ασύμβατο επεξεργαστή και μητρική πλακέτα, γεγονός που προκαλεί πρόσθετα προβλήματα.

Ο σύγχρονος καταναλωτής ηλεκτρονικών είναι πολύ δύσκολο να εκπλαγεί. Έχουμε ήδη συνηθίσει το γεγονός ότι η τσέπη μας είναι νόμιμα κατειλημμένη από smartphone, ένας φορητός υπολογιστής βρίσκεται σε μια τσάντα, ένα «έξυπνο» ρολόι μετράει υπάκουα τα βήματα στο χέρι και τα ακουστικά με ενεργό σύστημα μείωσης θορύβου χαϊδεύουν τα αυτιά μας.

Είναι αστείο, αλλά έχουμε συνηθίσει να κουβαλάμε όχι έναν, αλλά δύο, τρεις ή περισσότερους υπολογιστές ταυτόχρονα. Μετά από όλα, έτσι μπορείτε να καλέσετε μια συσκευή που έχει ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ. Και δεν έχει σημασία πώς μοιάζει μια συγκεκριμένη συσκευή. Ένα μικροσκοπικό τσιπ είναι υπεύθυνο για τη δουλειά του, έχοντας ξεπεράσει μια ταραχώδη και γρήγορη πορεία ανάπτυξης.

Γιατί θέσαμε το θέμα των επεξεργαστών; Όλα είναι απλά. Τα τελευταία δέκα χρόνια, υπήρξε μια πραγματική επανάσταση στον κόσμο κινητές συσκευές.

Υπάρχουν μόνο 10 χρόνια διαφορά μεταξύ αυτών των συσκευών. Αλλά το Nokia N95 τότε μας φαινόταν μια διαστημική συσκευή και σήμερα βλέπουμε το ARKit με κάποια δυσπιστία

Αλλά όλα θα μπορούσαν να είχαν εξελιχθεί διαφορετικά και το ταλαιπωρημένο Pentium IV θα παρέμενε το απόλυτο όνειρο ενός απλού αγοραστή.

Προσπαθήσαμε να κάνουμε χωρίς περίπλοκους τεχνικούς όρους και να πούμε πώς λειτουργεί ο επεξεργαστής και να μάθουμε ποια αρχιτεκτονική είναι το μέλλον.

1. Πώς ξεκίνησαν όλα

Οι πρώτοι επεξεργαστές ήταν εντελώς διαφορετικοί από αυτό που μπορείτε να δείτε όταν ανοίγετε το καπάκι της μονάδας συστήματος του υπολογιστή σας.

Αντί για μικροκυκλώματα στη δεκαετία του '40 του ΧΧ αιώνα, ηλεκτρομηχανολογικά ρελέσυμπληρωμένο με σωλήνες κενού. Οι λαμπτήρες λειτουργούσαν ως δίοδος, η κατάσταση της οποίας μπορούσε να ρυθμιστεί με μείωση ή αύξηση της τάσης στο κύκλωμα. Οι δομές έμοιαζαν ως εξής:

Για τη λειτουργία ενός γιγαντιαίου υπολογιστή χρειάζονταν εκατοντάδες, μερικές φορές χιλιάδες επεξεργαστές. Αλλά, ταυτόχρονα, δεν θα μπορούσατε να εκτελέσετε ούτε ένα απλό πρόγραμμα επεξεργασίας όπως το NotePad ή το TextEdit από το τυπικό σύνολο Windows και macOS σε έναν τέτοιο υπολογιστή. Ο υπολογιστής απλά δεν θα είχε αρκετή ισχύ.

2. Η έλευση των τρανζίστορ

Πρώτα FET εμφανίστηκε το 1928. Αλλά ο κόσμος άλλαξε μόνο μετά την εμφάνιση του λεγόμενου διπολικά τρανζίστοράνοιξε το 1947.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1940, ο πειραματικός φυσικός Walter Brattain και ο θεωρητικός John Bardeen ανέπτυξαν το πρώτο τρανζίστορ σημείου. Το 1950, αντικαταστάθηκε από το πρώτο τρανζίστορ διακλάδωσης και το 1954, ο γνωστός κατασκευαστής Texas Instruments ανακοίνωσε ένα τρανζίστορ πυριτίου.

Αλλά η πραγματική επανάσταση ήρθε το 1959, όταν ο επιστήμονας Jean Henri ανέπτυξε το πρώτο επίπεδο (επίπεδο) τρανζίστορ πυριτίου, το οποίο έγινε η βάση για μονολιθικά ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Ναι, είναι λίγο δύσκολο, οπότε ας σκάψουμε λίγο πιο βαθιά και ας ασχοληθούμε με το θεωρητικό μέρος.

3. Πώς λειτουργεί ένα τρανζίστορ

Έτσι, το έργο ενός τέτοιου ηλεκτρικού στοιχείου όπως τρανζίστορείναι ο έλεγχος του ρεύματος. Με απλά λόγια, αυτός ο μικρός δύσκολος διακόπτης ελέγχει τη ροή του ηλεκτρισμού.

Το κύριο πλεονέκτημα ενός τρανζίστορ έναντι ενός συμβατικού διακόπτη είναι ότι δεν απαιτεί την παρουσία ενός ατόμου. Εκείνοι. ένα τέτοιο στοιχείο είναι ικανό να ελέγχει ανεξάρτητα το ρεύμα. Επιπλέον, λειτουργεί πολύ πιο γρήγορα από ό,τι θα ενεργοποιούσατε ή θα απενεργοποιούσατε μόνοι σας το ηλεκτρικό κύκλωμα.

Από ένα σχολικό μάθημα επιστήμης υπολογιστών, πιθανότατα θυμάστε ότι ένας υπολογιστής "καταλαβαίνει" την ανθρώπινη γλώσσα μέσω συνδυασμών μόνο δύο καταστάσεων: "on" και "off". Κατά την κατανόηση του μηχανήματος, αυτή είναι η κατάσταση "0" ή "1".

Το καθήκον του υπολογιστή είναι να αναπαραστήσει ηλεκτρική ενέργειαμε τη μορφή αριθμών.

Και αν νωρίτερα το έργο της εναλλαγής καταστάσεων εκτελούνταν από αδέξια, ογκώδη και αναποτελεσματικά ηλεκτρικά ρελέ, τώρα το τρανζίστορ έχει αναλάβει αυτή τη συνηθισμένη εργασία.

Από τις αρχές της δεκαετίας του '60, τα τρανζίστορ άρχισαν να κατασκευάζονται από πυρίτιο, γεγονός που επέτρεψε όχι μόνο να γίνουν οι επεξεργαστές πιο συμπαγείς, αλλά και να αυξηθεί σημαντικά η αξιοπιστία τους.

Αλλά πρώτα, ας ασχοληθούμε με τη δίοδο

Πυρίτιο(γνωστός και ως Si - "πυρίτιο" στον περιοδικό πίνακα) ανήκει στην κατηγορία των ημιαγωγών, που σημαίνει ότι, αφενός, μεταδίδει ρεύμα καλύτερα από ένα διηλεκτρικό, αφετέρου, το κάνει χειρότερα από ένα μέταλλο.

Είτε μας αρέσει είτε όχι, αλλά για να κατανοήσουμε τη δουλειά και την περαιτέρω ιστορία της ανάπτυξης των επεξεργαστών, θα πρέπει να βουτήξουμε στη δομή ενός ατόμου πυριτίου. Μην φοβάστε, ας το κάνουμε σύντομο και πολύ σαφές.

Η δουλειά του τρανζίστορ είναι να ενισχύει αδύναμο σήμαμε επιπλέον τροφοδοτικό.

Το άτομο πυριτίου έχει τέσσερα ηλεκτρόνια, χάρη στα οποία σχηματίζει δεσμούς (και για την ακρίβεια - ομοιοπολικοί δεσμοί)με τα ίδια κοντινά τρία άτομα, σχηματίζοντας ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Ενώ τα περισσότερα από τα ηλεκτρόνια είναι σε δεσμό, ένα μικρό μέρος τους μπορεί να κινηθεί μέσα από το κρυσταλλικό πλέγμα. Λόγω αυτής της μερικής μεταφοράς ηλεκτρονίων, το πυρίτιο ταξινομήθηκε ως ημιαγωγός.

Αλλά μια τόσο ασθενής κίνηση ηλεκτρονίων δεν θα επέτρεπε τη χρήση τρανζίστορ στην πράξη, έτσι οι επιστήμονες αποφάσισαν να αυξήσουν την απόδοση των τρανζίστορ με ντοπάρισμα, ή πιο απλά, προσθήκες στο κρυσταλλικό πλέγμα του πυριτίου από άτομα στοιχείων με χαρακτηριστική διάταξη ηλεκτρονίων.

Άρχισαν λοιπόν να χρησιμοποιούν μια 5σθενή ακαθαρσία φωσφόρου, λόγω της οποίας έλαβαν τρανζίστορ τύπου n. Η παρουσία ενός επιπλέον ηλεκτρονίου κατέστησε δυνατή την επιτάχυνση της κίνησής τους, αυξάνοντας τη ροή του ρεύματος.

Όταν τα τρανζίστορ ντόπινγκ τύπου pΤο βόριο, που περιέχει τρία ηλεκτρόνια, έγινε ένας τέτοιος καταλύτης. Λόγω της απουσίας ενός ηλεκτρονίου, εμφανίζονται οπές στο κρυσταλλικό πλέγμα (παίζουν το ρόλο ενός θετικού φορτίου), αλλά λόγω του γεγονότος ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να γεμίσουν αυτές τις οπές, η αγωγιμότητα του πυριτίου αυξάνεται σημαντικά.

Ας υποθέσουμε ότι πήραμε μια γκοφρέτα πυριτίου και βάλαμε ένα μέρος της με μια ακαθαρσία τύπου p και το άλλο με μια ακαθαρσία τύπου n. Έτσι πήραμε δίοδος- το βασικό στοιχείο του τρανζίστορ.

Τώρα τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο n-τμήμα θα τείνουν να πάνε στις οπές που βρίσκονται στο p-τμήμα. Σε αυτή την περίπτωση, η πλευρά n θα έχει ένα ελαφρύ αρνητικό φορτίο και η πλευρά p θα έχει θετικό φορτίο. Το ηλεκτρικό πεδίο που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα αυτής της «βαρύτητας» - το φράγμα - θα εμποδίσει την περαιτέρω κίνηση των ηλεκτρονίων.

Εάν συνδέσετε μια πηγή ρεύματος στη δίοδο με τέτοιο τρόπο ώστε το "-" να αγγίζει την πλευρά p της πλάκας και το "+" να αγγίζει την πλευρά n, η ροή ρεύματος δεν θα είναι δυνατή λόγω του γεγονότος ότι οι οπές θα να έλκονται από την αρνητική επαφή της πηγής ισχύος, και τα ηλεκτρόνια στη θετική, και ο δεσμός μεταξύ των ηλεκτρονίων p και n θα χαθεί λόγω της διαστολής του συνδυασμένου στρώματος.

Αν όμως συνδέσετε το τροφοδοτικό με επαρκή τάση αντίστροφα, π.χ. "+" από την πηγή στην πλευρά p, και "-" στην πλευρά n, τα ηλεκτρόνια που τοποθετούνται στην πλευρά n θα απωθούνται από τον αρνητικό πόλο και θα ωθηθούν στην πλευρά p, καταλαμβάνοντας οπές στο p- περιοχή.

Τώρα όμως τα ηλεκτρόνια έλκονται από τον θετικό πόλο της πηγής ενέργειας και συνεχίζουν να κινούνται μέσα από τις οπές p. Αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε μπροστινή πολωμένη δίοδος.

δίοδος + δίοδος = τρανζίστορ

Από μόνο του, το τρανζίστορ μπορεί να θεωρηθεί ως δύο δίοδοι συνδεδεμένες μεταξύ τους. Σε αυτήν την περίπτωση, η περιοχή p (αυτή όπου βρίσκονται οι τρύπες) γίνεται κοινή για αυτούς και ονομάζεται «βάση».

Στο Τρανζίστορ N-P-Nδύο n-περιοχές με πρόσθετα ηλεκτρόνια - είναι επίσης ο "εκπομπός" και ο "συλλέκτης" και μια, ασθενής περιοχή με οπές - η περιοχή p, που ονομάζεται "βάση".

Εάν συνδέσετε ένα τροφοδοτικό (ας το ονομάσουμε V1) στις n-περιοχές του τρανζίστορ (ανεξάρτητα από τον πόλο), μια δίοδος θα έχει αντίστροφη πόλωση και το τρανζίστορ θα είναι κλειστό.

Αλλά, μόλις συνδέσουμε μια άλλη πηγή ρεύματος (ας την ονομάσουμε V2), ρυθμίζοντας την επαφή "+" στην "κεντρική" περιοχή p (βάση) και την επαφή "-" στην περιοχή n (εκπομπός), μερικά από τα ηλεκτρόνια θα ρέουν μέσω της σχηματισμένης και πάλι αλυσίδας (V2) και το τμήμα θα έλκεται από τη θετική n-περιοχή. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια θα ρέουν στην περιοχή του συλλέκτη και θα ενισχυθεί ένα ασθενές ηλεκτρικό ρεύμα.

Αποπνέω!

4. Λοιπόν, πώς λειτουργεί πραγματικά ένας υπολογιστής;

Και τώρα το πιο σημαντικό.

Ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση, το τρανζίστορ μπορεί να είναι είτε Άνοιξε, ή κλειστό. Εάν η τάση είναι ανεπαρκής για να ξεπεραστεί το φράγμα δυναμικού (αυτό στη διασταύρωση των πλακών p και n) - το τρανζίστορ θα είναι σε κλειστή κατάσταση - σε κατάσταση "off" ή, στη γλώσσα δυαδικό σύστημα – "0".

Με αρκετή τάση, το τρανζίστορ ανάβει και παίρνουμε την τιμή "on" ή "1" δυαδικά.

Αυτή η κατάσταση, 0 ή 1, ονομάζεται "bit" στη βιομηχανία υπολογιστών.

Εκείνοι. παίρνουμε την κύρια ιδιότητα του ίδιου του διακόπτη που άνοιξε το δρόμο στους υπολογιστές για την ανθρωπότητα!

Στον πρώτο ηλεκτρονικό ψηφιακό υπολογιστή ENIAC, ή, πιο απλά, στον πρώτο υπολογιστή, χρησιμοποιήθηκαν περίπου 18 χιλιάδες λαμπτήρες τριόδου. Το μέγεθος του υπολογιστή ήταν συγκρίσιμο με ένα γήπεδο τένις και το βάρος του ήταν 30 τόνοι.

Για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί ο επεξεργαστής, υπάρχουν δύο ακόμη βασικά σημεία που πρέπει να κατανοήσετε.

Στιγμή 1. Έτσι, αποφασίσαμε τι είναι κομμάτι. Αλλά με τη βοήθειά του, μπορούμε να πάρουμε μόνο δύο χαρακτηριστικά από κάτι: είτε «ναι» ή «όχι». Για να μάθει ο υπολογιστής να μας καταλαβαίνει καλύτερα, βρήκαν έναν συνδυασμό 8 bit (0 ή 1), τον οποίο ονόμασαν ψηφιόλεξη.

Χρησιμοποιώντας ένα byte, μπορείτε να κωδικοποιήσετε έναν αριθμό από το μηδέν έως το 255. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους 255 αριθμούς - συνδυασμούς μηδενικών και μονάδων, μπορείτε να κωδικοποιήσετε οτιδήποτε.

Στιγμή 2.Η παρουσία αριθμών και γραμμάτων χωρίς καμία λογική δεν θα μας έδινε τίποτα. Γι' αυτό η έννοια λογικούς τελεστές.

Συνδέοντας μόνο δύο τρανζίστορ με συγκεκριμένο τρόπο, μπορείτε να επιτύχετε πολλές λογικές ενέργειες ταυτόχρονα: "και", "ή". Ο συνδυασμός της ποσότητας τάσης σε κάθε τρανζίστορ και ο τύπος της σύνδεσής τους σας επιτρέπει να πάρετε διαφορετικούς συνδυασμούςμηδενικά και μονά.

Με τις προσπάθειες των προγραμματιστών, οι τιμές των μηδενικών και των μονάδων, το δυαδικό σύστημα, άρχισαν να μεταφράζονται σε δεκαδικά, ώστε να καταλάβουμε τι ακριβώς «λέει» ο υπολογιστής. Και για να εισάγουμε εντολές, οι συνήθεις ενέργειες μας, όπως η εισαγωγή γραμμάτων από το πληκτρολόγιο, αναπαρίστανται ως μια δυαδική αλυσίδα εντολών.

Με απλά λόγια, φανταστείτε ότι υπάρχει ένας πίνακας αντιστοιχίας, ας πούμε, ASCII, στον οποίο κάθε γράμμα αντιστοιχεί σε συνδυασμό 0 και 1. Πατήσατε ένα κουμπί στο πληκτρολόγιο και εκείνη τη στιγμή στον επεξεργαστή, χάρη στο πρόγραμμα, τρανζίστορ άλλαξαν με τέτοιο τρόπο ώστε το πιο γραμμένο γράμμα στο κλειδί.

Αυτή είναι μια μάλλον πρωτόγονη εξήγηση του τρόπου λειτουργίας του επεξεργαστή και του υπολογιστή, αλλά αυτή η κατανόηση είναι που μας επιτρέπει να προχωρήσουμε.

5. Και άρχισε η κούρσα των τρανζίστορ

Αφού ο Βρετανός ραδιομηχανικός Geoffrey Dahmer πρότεινε το 1952 να τοποθετηθεί το πιο απλό ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑσε έναν μονολιθικό κρύσταλλο ημιαγωγών, η βιομηχανία των υπολογιστών έχει κάνει ένα άλμα προς τα εμπρός.

Από τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που πρότεινε ο Dahmer, οι μηχανικοί μεταπήδησαν γρήγορα μικροτσίπβασίζεται σε τρανζίστορ. Με τη σειρά τους, αρκετά τέτοια τσιπ έχουν ήδη σχηματιστεί ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ.

Φυσικά, οι διαστάσεις τέτοιων επεξεργαστών δεν μοιάζουν πολύ με τους σύγχρονους. Επιπλέον, μέχρι το 1964, όλοι οι επεξεργαστές είχαν ένα πρόβλημα. Απαιτούσαν μια ατομική προσέγγιση - τη δική τους γλώσσα προγραμματισμού για κάθε επεξεργαστή.

• 1964 IBM System/360.Συμβατός υπολογιστής γενικής χρήσης κώδικα προγράμματος. Ένα σύνολο εντολών για ένα μοντέλο επεξεργαστή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ένα άλλο.
• δεκαετία του '70.Η εμφάνιση των πρώτων μικροεπεξεργαστών. Επεξεργαστής ενός τσιπ από την Intel. Intel 4004 - 10 µm TPU, 2300 τρανζίστορ, 740 kHz.
• 1973 έτος Intel 4040 και Intel 8008. 3.000 τρανζίστορ στα 740 kHz για τον Intel 4040 και 3.500 τρανζίστορ στα 500 kHz για τον Intel 8008.
• 1974 Intel 8080. TPU 6 micron και τρανζίστορ 6000. Η συχνότητα ρολογιού είναι περίπου 5.000 kHz. Ήταν αυτός ο επεξεργαστής που χρησιμοποιήθηκε στον υπολογιστή Altair-8800. Το εγχώριο αντίγραφο του Intel 8080 είναι ο επεξεργαστής KR580VM80A, που αναπτύχθηκε από το Ερευνητικό Ινστιτούτο Μικροσυσκευών του Κιέβου. 8 bit
• 1976 Intel 8080. TPU 3 micron και τρανζίστορ 6500. Συχνότητα ρολογιού 6 MHz. 8 bit
• 1976 Zilog Z80. TPU 3 micron και τρανζίστορ 8500. Συχνότητα ρολογιού έως 8 MHz. 8 bit
• 1978 Intel 8086. TPU 3 micron και τρανζίστορ 29.000. Η συχνότητα ρολογιού είναι περίπου 25 MHz. Το σετ εντολών x86 που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα. 16 bit
• 1980 Intel 80186. TPU 3 micron και τρανζίστορ 134.000. Συχνότητα ρολογιού - έως 25 MHz. 16 bit
• 1982 Intel 80286. TPU 1,5 micron και τρανζίστορ 134.000. Συχνότητα - έως 12,5 MHz. 16 bit
• 1982 Motorola 68000. 3 μm και τρανζίστορ 84.000. Αυτός ο επεξεργαστής χρησιμοποιήθηκε σε Υπολογιστής AppleΛίζα.
• 1985 Intel 80386. 1,5 micron tp και 275.000 τρανζίστορ Συχνότητα - έως 33 MHz στην έκδοση 386SX.

Φαίνεται ότι η λίστα θα μπορούσε να συνεχιστεί επ' αόριστον, αλλά στη συνέχεια οι μηχανικοί της Intel αντιμετώπισαν ένα σοβαρό πρόβλημα.

6. Ο νόμος του Μουρ ή πώς ζουν οι κατασκευαστές τσιπ

Κυκλοφόρησε στα τέλη της δεκαετίας του '80. Πίσω στις αρχές της δεκαετίας του '60, ένας από τους ιδρυτές από την IntelΟ Γκόρντον Μουρ διατύπωσε τον λεγόμενο «Νόμο του Μουρ». Ακούγεται κάπως έτσι:

Κάθε 24 μήνες, ο αριθμός των τρανζίστορ που τοποθετούνται σε ένα τσιπ ενσωματωμένο κύκλωμα, διπλασιάζεται.

Είναι δύσκολο να ονομάσουμε αυτόν τον νόμο νόμο. Θα ήταν πιο ακριβές να το ονομάσουμε εμπειρική παρατήρηση. Συγκρίνοντας τον ρυθμό ανάπτυξης της τεχνολογίας, ο Moore συμπέρανε ότι μια παρόμοια τάση θα μπορούσε να διαμορφωθεί.

Αλλά ήδη κατά την ανάπτυξη τέταρτη γενιά Επεξεργαστές IntelΟι μηχανικοί του i486 αντιμετωπίζουν το γεγονός ότι έχουν ήδη φτάσει στο ανώτατο όριο απόδοσης και δεν μπορούν πλέον να χωρέσουν περισσότερους επεξεργαστές στον ίδιο χώρο. Εκείνη την εποχή, η τεχνολογία δεν το επέτρεπε αυτό.

Ως λύση, βρέθηκε μια παραλλαγή χρησιμοποιώντας έναν αριθμό πρόσθετων στοιχείων:

• προσωρινή μνήμη;
• μετακομιστής;
• ενσωματωμένος συνεπεξεργαστής?
• πολλαπλασιαστής.

Μέρος του υπολογιστικού φορτίου έπεσε στους ώμους αυτών των τεσσάρων κόμβων. Ως αποτέλεσμα, η εμφάνιση της κρυφής μνήμης, αφενός, περιέπλεξε τον σχεδιασμό του επεξεργαστή, από την άλλη, έγινε πολύ πιο ισχυρός.

Ο επεξεργαστής Intel i486 αποτελούνταν ήδη από 1,2 εκατομμύρια τρανζίστορ και μέγιστη συχνότηταη δουλειά του έφτασε τα 50 MHz.

Το 1995 εντάσσεται η ανάπτυξη AMDκαι κυκλοφορεί τον ταχύτερο επεξεργαστή Am5x86 συμβατό με i486 εκείνη την εποχή σε αρχιτεκτονική 32 bit. Είχε ήδη κατασκευαστεί σύμφωνα με την τεχνολογία διεργασίας 350 νανόμετρων και ο αριθμός των εγκατεστημένων επεξεργαστών έφτασε τα 1,6 εκατομμύρια τεμάχια. Η συχνότητα ρολογιού έχει αυξηθεί στα 133 MHz.

Αλλά οι κατασκευαστές τσιπ δεν τόλμησαν να συνεχίσουν την περαιτέρω αύξηση του αριθμού των εγκατεστημένων επεξεργαστών σε ένα τσιπ και την ανάπτυξη της ήδη ουτοπικής αρχιτεκτονικής CISC (Complex Instruction Set Computing). Αντίθετα, ο Αμερικανός μηχανικός David Patterson πρότεινε τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των επεξεργαστών, αφήνοντας μόνο τις πιο απαραίτητες υπολογιστικές οδηγίες.

Έτσι, οι κατασκευαστές επεξεργαστών μεταπήδησαν στην πλατφόρμα RISC (Reduced Instruction Set Computing), αλλά ούτε αυτό ήταν αρκετό.

Το 1991 κυκλοφόρησε ο επεξεργαστής 64-bit R4000 που λειτουργούσε σε συχνότητα 100 MHz. Τρία χρόνια αργότερα, εμφανίζεται ο επεξεργαστής R8000 και δύο χρόνια αργότερα, ο R10000 με ταχύτητες ρολογιού έως και 195 MHz. Παράλληλα, αναπτύχθηκε η αγορά των επεξεργαστών SPARC, το αρχιτεκτονικό χαρακτηριστικό της οποίας ήταν η απουσία οδηγιών πολλαπλασιασμού και διαίρεσης.

Αντί να τσακώνονται για τον αριθμό των τρανζίστορ, οι κατασκευαστές τσιπ άρχισαν να επανεξετάζουν την αρχιτεκτονική της δουλειάς τους.. Η απόρριψη των "περιττών" εντολών, η εκτέλεση εντολών σε έναν κύκλο, η παρουσία καταχωρητών γενικής αξίας και η διοχέτευση κατέστησαν δυνατή τη γρήγορη αύξηση της συχνότητας και της ισχύος του ρολογιού των επεξεργαστών χωρίς παραμόρφωση του αριθμού των τρανζίστορ.

Εδώ είναι μερικές μόνο από τις αρχιτεκτονικές που εμφανίστηκαν μεταξύ 1980 και 1995:

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

Βασίστηκαν στην πλατφόρμα RISC, και σε ορισμένες περιπτώσεις, σε μερική, συνδυασμένη χρήση της πλατφόρμας CISC. Αλλά η ανάπτυξη της τεχνολογίας ώθησε για άλλη μια φορά τους κατασκευαστές τσιπ να συνεχίσουν να δημιουργούν επεξεργαστές.

Τον Αύγουστο του 1999, το AMD K7 Athlon εισήλθε στην αγορά, που κατασκευάστηκε με τεχνολογία διεργασίας 250 nm και περιλαμβάνει 22 εκατομμύρια τρανζίστορ. Αργότερα, ο πήχης ανέβηκε στα 38 εκατομμύρια επεξεργαστές. Έπειτα μέχρι 250 εκατ.

Ο τεχνολογικός επεξεργαστής αυξήθηκε, η συχνότητα ρολογιού αυξήθηκε. Αλλά, όπως λέει η φυσική, υπάρχει ένα όριο σε όλα.

7. Το τέλος του διαγωνισμού τρανζίστορ πλησιάζει

Το 2007, ο Γκόρντον Μουρ έκανε μια πολύ ωμή δήλωση:

Ο νόμος του Μουρ σύντομα θα πάψει να ισχύει. Είναι αδύνατο να εγκαταστήσετε απεριόριστο αριθμό επεξεργαστών επ' αόριστον. Ο λόγος για αυτό είναι η ατομική φύση της ύλης.

Είναι αντιληπτό με γυμνό μάτι ότι οι δύο κορυφαίοι κατασκευαστές τσιπ AMD και Intel έχουν σαφώς επιβραδύνει τον ρυθμό ανάπτυξης επεξεργαστών τα τελευταία χρόνια. Η ακρίβεια της τεχνολογικής διαδικασίας έχει αυξηθεί σε λίγα μόνο νανόμετρα, αλλά είναι αδύνατο να τοποθετηθούν ακόμη περισσότεροι επεξεργαστές.

Και ενώ οι κατασκευαστές ημιαγωγών απειλούν να λανσάρουν πολυστρωματικά τρανζίστορ, κάνοντας έναν παραλληλισμό με τη μνήμη 3DN και, ένας σοβαρός ανταγωνιστής εμφανίστηκε στην αρχιτεκτονική x86 με τοίχο πριν από 30 χρόνια.

8. Τι περιμένει τους «κανονικούς» επεξεργαστές

Ο νόμος του Μουρ έχει ακυρωθεί από το 2016. Αυτό ανακοινώθηκε επίσημα από τον μεγαλύτερο κατασκευαστή επεξεργαστών Intel. Διπλό υπολογιστική ισχύς 100% κάθε δύο χρόνια οι κατασκευαστές τσιπ δεν είναι πλέον σε θέση.

Και τώρα οι κατασκευαστές επεξεργαστών έχουν πολλές απρόβλεπτες επιλογές.

Πρώτη επιλογή - κβαντικούς υπολογιστές . Έχουν ήδη γίνει προσπάθειες να κατασκευαστεί ένας υπολογιστής που χρησιμοποιεί σωματίδια για την αναπαράσταση πληροφοριών. Υπάρχουν αρκετές παρόμοιες κβαντικές συσκευές στον κόσμο, αλλά μπορούν να αντιμετωπίσουν μόνο αλγόριθμους χαμηλής πολυπλοκότητας.

Επιπλέον, η σειριακή κυκλοφορία τέτοιων συσκευών τις επόμενες δεκαετίες αποκλείεται. Ακριβό, αναποτελεσματικό και… αργό!

Ναι, οι κβαντικοί υπολογιστές καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια από τους σύγχρονους ομολόγους τους, αλλά θα είναι επίσης πιο αργοί έως ότου οι προγραμματιστές και οι κατασκευαστές εξαρτημάτων στραφούν στη νέα τεχνολογία.

Η δεύτερη επιλογή - επεξεργαστές με στρώματα τρανζίστορ. Τόσο η Intel όσο και η AMD έχουν σκεφτεί σοβαρά αυτήν την τεχνολογία. Αντί για ένα στρώμα τρανζίστορ, σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν πολλά. Φαίνεται ότι τα επόμενα χρόνια, ενδέχεται να εμφανιστούν επεξεργαστές στους οποίους όχι μόνο ο αριθμός των πυρήνων και η συχνότητα ρολογιού θα είναι σημαντικός, αλλά και ο αριθμός των στρωμάτων τρανζίστορ.

Η λύση έχει δικαίωμα στη ζωή, και έτσι οι μονοπωλητές θα μπορούν να αρμέγουν τον καταναλωτή για άλλες δύο δεκαετίες, αλλά, στο τέλος, η τεχνολογία θα χτυπήσει ξανά ταβάνι.

Σήμερα, συνειδητοποιώντας την ταχεία ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής ARM, η Intel έκανε μια σιωπηλή ανακοίνωση της οικογένειας τσιπ Ice Lake. Οι επεξεργαστές θα κατασκευαστούν με διαδικασία 10 νανομέτρων και θα αποτελέσουν τη βάση για smartphone, tablet και φορητές συσκευές. Θα γίνει όμως το 2019.

9. Το ARM είναι το μέλλον

Έτσι, η αρχιτεκτονική x86 εμφανίστηκε το 1978 και ανήκει στον τύπο της πλατφόρμας CISC. Εκείνοι. από μόνο του, συνεπάγεται την ύπαρξη οδηγιών για όλες τις περιπτώσεις. Η ευελιξία είναι το κύριο δυνατό σημείο του x86.

Αλλά, ταυτόχρονα, η ευελιξία έπαιξε ένα σκληρό αστείο με αυτούς τους επεξεργαστές. Το x86 έχει πολλά βασικά μειονεκτήματα:

• η πολυπλοκότητα των εντολών και η ειλικρινής σύγχυσή τους.
• υψηλή κατανάλωση ενέργειας και απελευθέρωση θερμότητας.

Για υψηλές επιδόσεις, έπρεπε να πω αντίο στην ενεργειακή απόδοση. Επιπλέον, δύο εταιρείες εργάζονται επί του παρόντος για την αρχιτεκτονική x86, η οποία μπορεί να αποδοθεί με ασφάλεια σε μονοπώλια. Αυτά είναι η Intel και η AMD. Μόνο αυτοί μπορούν να παράγουν επεξεργαστές x86, που σημαίνει ότι μόνο αυτοί κυβερνούν την ανάπτυξη των τεχνολογιών.

Παράλληλα, αρκετές εταιρείες ασχολούνται με την ανάπτυξη του ARM (Arcon Risk Machine). Το 1985, οι προγραμματιστές επέλεξαν την πλατφόρμα RISC ως βάση για περαιτέρω ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής.

Σε αντίθεση με το CISC, το RISC περιλαμβάνει το σχεδιασμό ενός επεξεργαστή με τον ελάχιστο απαιτούμενο αριθμό εντολών, αλλά τη μέγιστη βελτιστοποίηση. Οι επεξεργαστές RISC είναι πολύ μικρότεροι από τον CISC, πιο αποδοτικοί και απλούστεροι.

Επιπλέον, το ARM δημιουργήθηκε αρχικά αποκλειστικά ως ανταγωνιστής του x86. Οι προγραμματιστές έθεσαν το καθήκον να δημιουργήσουν μια αρχιτεκτονική που είναι πιο αποτελεσματική από την x86.

Από τη δεκαετία του '40, οι μηχανικοί κατάλαβαν ότι ένα από τα καθήκοντα προτεραιότητας είναι να εργαστούν για τη μείωση του μεγέθους των υπολογιστών και, πρώτα απ 'όλα, των ίδιων των επεξεργαστών. Αλλά σχεδόν πριν από 80 χρόνια, σχεδόν κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ότι ένας πλήρης υπολογιστής θα ήταν μικρότερος από ένα σπιρτόκουτο.

Η αρχιτεκτονική ARM υποστηριζόταν κάποτε εταιρεία Apple, λανσάροντας την παραγωγή tablet Newton που βασίζονται στην οικογένεια επεξεργαστών ARM6 ARM.

Οι πωλήσεις επιτραπέζιων υπολογιστών μειώνονται ραγδαία, ενώ ο αριθμός των φορητών συσκευών που πωλούνται ετησίως είναι ήδη δισεκατομμύρια. Συχνά, εκτός από την απόδοση, όταν επιλέγει ένα ηλεκτρονικό gadget, ο χρήστης ενδιαφέρεται για πολλά ακόμη κριτήρια:

• κινητικότητα;
• αυτονομία.

Η αρχιτεκτονική x86 είναι ισχυρή από άποψη απόδοσης, αλλά μόλις εγκαταλείψετε την ενεργή ψύξη, πώς ισχυρός επεξεργαστήςφαίνεται αξιολύπητο σε σύγκριση με την αρχιτεκτονική ARM.

10. Γιατί η ARM είναι ο αδιαμφισβήτητος ηγέτης

Δύσκολα θα εκπλαγείτε που το smartphone σας, είτε πρόκειται για ένα απλό Android είτε για τη ναυαρχίδα της Apple του 2016, είναι δεκάδες φορές πιο ισχυρό. πλήρεις υπολογιστέςεποχή του τέλους της δεκαετίας του '90.

Αλλά πόσο πιο ισχυρό είναι το ίδιο iPhone;

Από μόνη της, η σύγκριση δύο διαφορετικών αρχιτεκτονικών είναι πολύ δύσκολο πράγμα. Οι μετρήσεις εδώ μπορούν να πραγματοποιηθούν μόνο κατά προσέγγιση, αλλά μπορείτε να κατανοήσετε το τεράστιο πλεονέκτημα που παρέχουν οι επεξεργαστές smartphone που είναι κατασκευασμένοι στην αρχιτεκτονική ARM.

Ένας καθολικός βοηθός σε αυτό το θέμα είναι η τεχνητή δοκιμή απόδοσης Geekbench. Το βοηθητικό πρόγραμμα είναι διαθέσιμο ως σταθερούς υπολογιστέςκαθώς και σε πλατφόρμες Android και iOS.

Οι φορητοί υπολογιστές μεσαίας κατηγορίας και αρχικού επιπέδου υστερούν σαφώς σε σχέση με τις επιδόσεις του iPhone 7. Στην κορυφαία κατηγορία, τα πράγματα είναι λίγο πιο περίπλοκα, αλλά το 2017, η Apple κυκλοφορεί το iPhone X στο νέο τσιπ A11 Bionic.

Εκεί, η αρχιτεκτονική ARM σας είναι ήδη γνωστή, αλλά τα στοιχεία στο Geekbench έχουν σχεδόν διπλασιαστεί. Τα λάπτοπ από το «ανώτερο κλιμάκιο» τεντώθηκαν.

Και έχει περάσει μόνο ένας χρόνος.

Η ανάπτυξη του ARM είναι αλματώδης. Ενώ η Intel και η AMD παρουσιάζουν κέρδη απόδοσης 5-10% χρόνο με το χρόνο, την ίδια περίοδο, οι κατασκευαστές smartphone καταφέρνουν να αυξήσουν την ισχύ του επεξεργαστή κατά δύο έως δυόμισι φορές.

Οι δύσπιστοι χρήστες που περνούν από τις κορυφαίες γραμμές του Geekbench θέλουν απλώς να τους υπενθυμίζεται: in κινητές τεχνολογίεςτο μέγεθος είναι αυτό που μετράει περισσότερο.

Τοποθετήστε μια μπάρα ζαχαρωτών με έναν ισχυρό επεξεργαστή 18 πυρήνων που "σχίζει την αρχιτεκτονική ARM" στο τραπέζι και, στη συνέχεια, τοποθετήστε το iPhone σας δίπλα της. Νιώθεις τη διαφορά;

11. Αντί για έξοδο

Είναι αδύνατο να καλύψουμε την 80χρονη ιστορία της ανάπτυξης των υπολογιστών σε ένα υλικό. Αλλά αφού διαβάσετε αυτό το άρθρο, θα μπορείτε να καταλάβετε πώς είναι τοποθετημένο το κύριο στοιχείο οποιουδήποτε υπολογιστή - ο επεξεργαστής και τι να περιμένετε από την αγορά τα επόμενα χρόνια.

Φυσικά, η Intel και η AMD θα εργαστούν για την περαιτέρω αύξηση του αριθμού των τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ και την προώθηση της ιδέας των στοιχείων πολλαπλών επιπέδων.

Αλλά εσείς, ως πελάτης, χρειάζεστε τέτοια δύναμη;

Είναι απίθανο να είστε ικανοποιημένοι με την απόδοση iPad Proή το κορυφαίο iPhone X. Δεν νομίζω ότι είστε δυσαρεστημένοι με την απόδοση του πολυκουζινιού σας στην κουζίνα σας ή την ποιότητα εικόνας σε μια τηλεόραση 4K 65 ιντσών. Αλλά όλες αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούν επεξεργαστές στην αρχιτεκτονική ARM.

Τα Windows έχουν ήδη ανακοινώσει επίσημα ότι κοιτάζουν με ενδιαφέρον την ARM. Η εταιρεία περιλάμβανε υποστήριξη για αυτήν την αρχιτεκτονική στα Windows 8.1 και τώρα εργάζεται ενεργά σε συνδυασμό με την κορυφαία εταιρεία παραγωγής τσιπ ARM ​​Qualcomm.

Η Google κατάφερε επίσης να εξετάσει το ARM - λειτουργικό σύστημαΤο Chrome OS υποστηρίζει αυτήν την αρχιτεκτονική. Έχουν εμφανιστεί πολλές διανομές Linux ταυτόχρονα, οι οποίες είναι επίσης συμβατές με αυτήν την αρχιτεκτονική. Και αυτό είναι μόνο η αρχή.

Και απλώς προσπαθήστε για μια στιγμή να φανταστείτε πόσο ευχάριστο θα είναι να συνδυάζετε έναν ενεργειακά αποδοτικό επεξεργαστή ARM με μια μπαταρία γραφενίου. Αυτή η αρχιτεκτονική είναι που θα καταστήσει δυνατή την απόκτηση κινητών εργονομικών gadget που μπορούν να υπαγορεύσουν το μέλλον.

4,61 από 5, βαθμολογία: 38 )

δικτυακός τόπος Υπέροχο άρθρο, ρίξτε το τσάι σας.

Ο επεξεργαστής είναι, χωρίς αμφιβολία, το κύριο συστατικό οποιουδήποτε υπολογιστή. Είναι αυτό το μικρό κομμάτι πυριτίου, μεγέθους μερικών δεκάδων χιλιοστών, που εκτελεί όλα αυτά απαιτητικές εργασίεςπου βάζετε μπροστά στον υπολογιστή σας. Εδώ τρέχει το λειτουργικό σύστημα, καθώς και όλα τα προγράμματα. Πώς όμως λειτουργούν όλα; Θα προσπαθήσουμε να αναλύσουμε αυτό το ερώτημα στο σημερινό μας άρθρο.

Ο επεξεργαστής διαχειρίζεται τα δεδομένα στον υπολογιστή σας και εκτελεί εκατομμύρια οδηγίες ανά δευτερόλεπτο. Και με τον επεξεργαστή κειμένου, εννοώ ακριβώς αυτό που πραγματικά σημαίνει - ένα μικρό τσιπ πυριτίου που εκτελεί πραγματικά όλες τις λειτουργίες σε έναν υπολογιστή. Πριν προχωρήσετε στην εξέταση του τρόπου λειτουργίας του επεξεργαστή, πρέπει πρώτα να εξετάσετε λεπτομερώς τι είναι και από τι αποτελείται.

Αρχικά, ας δούμε τι είναι ένας επεξεργαστής. CPU ή κεντρική μονάδα επεξεργασίας (κεντρική μονάδα επεξεργασίας) - η οποία είναι ένα μικροκύκλωμα με τεράστιο ποσότρανζίστορ, κατασκευασμένα σε κρύσταλλο πυριτίου. Ο πρώτος επεξεργαστής στον κόσμο αναπτύχθηκε από την Intel Corporation το 1971. Όλα ξεκίνησαν με μοντέλα Intel 4004. Μπορούσε να εκτελέσει μόνο υπολογιστικές πράξεις και μπορούσε να επεξεργαστεί μόνο 4 byte δεδομένων. Το επόμενο μοντέλο κυκλοφόρησε το 1974 - η Intel 8080 και μπορούσε ήδη να επεξεργαστεί 8 bit πληροφοριών. Τότε υπήρχαν 80286, 80386, 80486. Από αυτούς τους επεξεργαστές προήλθε το όνομα της αρχιτεκτονικής.

Η συχνότητα ρολογιού του επεξεργαστή 8088 ήταν 5 MHz και ο αριθμός των λειτουργιών ανά δευτερόλεπτο ήταν μόνο 330.000, που είναι πολύ μικρότερος από ό,τι στους σύγχρονους επεξεργαστές. Οι σύγχρονες συσκευές έχουν συχνότητες έως 10 GHz και αρκετά εκατομμύρια λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο.

Δεν θα εξετάσουμε τρανζίστορ, θα περάσουμε σε υψηλότερο επίπεδο. Κάθε επεξεργαστής αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία:

• Πυρήνας- όλη η επεξεργασία πληροφοριών πραγματοποιείται εδώ και μαθηματικές πράξεις, μπορεί να υπάρχουν αρκετοί πυρήνες.
• Αποκωδικοποιητής εντολών- αυτό το στοιχείο ανήκει στον πυρήνα, μετατρέπει εντολές λογισμικού σε ένα σύνολο σημάτων που θα εκτελεστούν από τρανζίστορ πυρήνα.
• Κρύπτη- μια περιοχή εξαιρετικά γρήγορης μνήμης, ένας μικρός όγκος στον οποίο αποθηκεύονται δεδομένα που διαβάζονται από τη μνήμη RAM.
• Μητρώα- Αυτά είναι πολύ γρήγορα κελιά μνήμης στα οποία αποθηκεύονται δεδομένα που έχουν υποστεί επεξεργασία. Υπάρχουν μόνο μερικά από αυτά και έχουν περιορισμένο μέγεθος - 8, 16 ή 32 bit, το βάθος bit του επεξεργαστή εξαρτάται από αυτό.
• συνεπεξεργαστής- έναν ξεχωριστό πυρήνα που είναι βελτιστοποιημένος μόνο για ορισμένες λειτουργίες, όπως η επεξεργασία βίντεο ή η κρυπτογράφηση δεδομένων.
• λεωφορείο διεύθυνσης- για επικοινωνία με όλες τις συσκευές που είναι συνδεδεμένες στη μητρική πλακέτα, μπορεί να έχει πλάτος 8, 16 ή 32 bit.
• Δίαυλος δεδομένων- για επικοινωνία με λειτουργική μνήμη. Με αυτό, ο επεξεργαστής μπορεί να γράψει δεδομένα στη μνήμη ή να τα διαβάσει από εκεί. Ο δίαυλος μνήμης μπορεί να είναι 8, 16 και 32 bit, αυτός είναι ο όγκος δεδομένων που μπορεί να μεταφερθεί ταυτόχρονα.
• Δίαυλος συγχρονισμού- σας επιτρέπει να ελέγχετε τη συχνότητα των κύκλων του επεξεργαστή και του ρολογιού.
• Επανεκκινήστε το λεωφορείο- για επαναφορά της κατάστασης του επεξεργαστή.

Το κύριο συστατικό μπορεί να θεωρηθεί ο πυρήνας ή η υπολογιστική-αριθμητική μονάδα, καθώς και οι καταχωρητές επεξεργαστή. Όλα τα άλλα βοηθούν αυτά τα δύο εξαρτήματα να λειτουργούν. Ας δούμε τι είναι τα μητρώα και ποιος είναι ο σκοπός τους.

• Μητρώα Α, Β, Γ- σχεδιασμένο για αποθήκευση δεδομένων κατά την επεξεργασία, ναι, υπάρχουν μόνο τρία από αυτά, αλλά αυτό είναι αρκετά.
• EIP- περιέχει τη διεύθυνση της επόμενης εντολής προγράμματος στη μνήμη RAM.
• ESP- διεύθυνση δεδομένων στη μνήμη RAM.
• Ζ- περιέχει το αποτέλεσμα της τελευταίας λειτουργίας σύγκρισης.

Φυσικά, αυτοί απέχουν πολύ από όλους τους καταχωρητές μνήμης, αλλά αυτοί είναι οι πιο σημαντικοί και χρησιμοποιούνται περισσότερο από τον επεξεργαστή κατά την εκτέλεση του προγράμματος. Λοιπόν, τώρα που ξέρετε από τι αποτελείται ο επεξεργαστής, μπορείτε να σκεφτείτε πώς λειτουργεί.

Πώς λειτουργεί ένας επεξεργαστής υπολογιστή;

Ο πυρήνας επεξεργασίας του επεξεργαστή μπορεί να εκτελεί μόνο μαθηματικές πράξεις, λειτουργίες σύγκρισης και μετακίνηση δεδομένων μεταξύ κελιών και μνήμης RAM, αλλά αυτό είναι αρκετό για να παίξετε παιχνίδια, να παρακολουθήσετε ταινίες και να σερφάρετε στο διαδίκτυο και πολλά άλλα.

Στην πραγματικότητα, οποιοδήποτε πρόγραμμα αποτελείται από τέτοιες εντολές: μετακίνηση, προσθήκη, πολλαπλασιασμός, διαίρεση, διαφορά και μετάβαση στην εντολή εάν πληρούται η συνθήκη σύγκρισης. Φυσικά, αυτές δεν είναι όλες εντολές, υπάρχουν και άλλες που συνδυάζουν αυτές που αναφέρονται ήδη ή απλοποιούν τη χρήση τους.

Όλες οι κινήσεις δεδομένων εκτελούνται χρησιμοποιώντας την εντολή κίνησης (mov), αυτή η εντολή μετακινεί δεδομένα μεταξύ κελιών καταχωρητή, μεταξύ καταχωρητών και μνήμης RAM, μεταξύ μνήμης και σκληρός δίσκος. Για αριθμητικές πράξειςυπάρχει Ειδικές Οδηγίες. Και οι οδηγίες μετάβασης χρειάζονται για να πληρούνται οι προϋποθέσεις, για παράδειγμα, ελέγξτε την τιμή του καταχωρητή Α και εάν δεν είναι ίση με μηδέν, τότε μεταβείτε στην εντολή για επιθυμητή διεύθυνση. Μπορείτε επίσης να δημιουργήσετε βρόχους χρησιμοποιώντας οδηγίες μετάβασης.

Όλα αυτά είναι πολύ καλά, αλλά πώς αλληλεπιδρούν όλα αυτά τα συστατικά μεταξύ τους; Και πώς καταλαβαίνουν τα τρανζίστορ τις οδηγίες; Η λειτουργία ολόκληρου του επεξεργαστή ελέγχεται από τον αποκωδικοποιητή εντολών. Αναγκάζει κάθε στοιχείο να κάνει αυτό που υποτίθεται ότι πρέπει να κάνει. Ας δούμε τι συμβαίνει όταν ένα πρόγραμμα πρέπει να εκτελεστεί.

Στο πρώτο στάδιο, ο αποκωδικοποιητής φορτώνει τη διεύθυνση της πρώτης εντολής του προγράμματος στη μνήμη στον καταχωρητή της επόμενης εντολής EIP, για αυτό ενεργοποιεί το κανάλι ανάγνωσης και ανοίγει το τρανζίστορ μανδάλωσης για να τοποθετήσει τα δεδομένα στον καταχωρητή EIP.

Στον δεύτερο κύκλο ρολογιού, ο αποκωδικοποιητής εντολών μετατρέπει την εντολή σε ένα σύνολο σημάτων για τα τρανζίστορ του υπολογιστικού πυρήνα, τα οποία την εκτελούν και γράφουν το αποτέλεσμα σε έναν από τους καταχωρητές, για παράδειγμα, C.

Στον τρίτο κύκλο, ο αποκωδικοποιητής αυξάνει τη διεύθυνση της επόμενης εντολής κατά ένα, έτσι ώστε να δείχνει την επόμενη εντολή στη μνήμη. Περαιτέρω, ο αποκωδικοποιητής προχωρά στη φόρτωση της επόμενης εντολής και ούτω καθεξής μέχρι το τέλος του προγράμματος.

Κάθε εντολή είναι ήδη κωδικοποιημένη από μια ακολουθία τρανζίστορ και μετατρέπεται σε σήματα, προκαλεί φυσικές αλλαγές στον επεξεργαστή, για παράδειγμα, αλλαγή της θέσης ενός μανδάλου που επιτρέπει την εγγραφή δεδομένων σε ένα κελί μνήμης κ.λπ. Η εκτέλεση διαφορετικών εντολών απαιτεί διαφορετικό αριθμό κύκλων, για παράδειγμα, για μια εντολή μπορεί να χρειαστούν 5 κύκλοι και για μια άλλη, πιο περίπλοκη, έως 20. Αλλά όλα αυτά εξακολουθούν να εξαρτώνται από τον αριθμό των τρανζίστορ στον ίδιο τον επεξεργαστή .

Λοιπόν, όλα είναι ξεκάθαρα με αυτό, αλλά όλα θα λειτουργήσουν μόνο εάν εκτελείται ένα πρόγραμμα και εάν υπάρχουν πολλά από αυτά και όλα ταυτόχρονα. Μπορεί να υποτεθεί ότι ο επεξεργαστής έχει πολλούς πυρήνες και στη συνέχεια εκτελείται ένα ξεχωριστό πρόγραμμα σε κάθε πυρήνα. Αλλά όχι, στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν τέτοιοι περιορισμοί.

Σε ένα ορισμένη στιγμήμόνο ένα πρόγραμμα μπορεί να τρέξει. Όλος ο χρόνος CPU μοιράζεται μεταξύ όλων προγράμματα που εκτελούνται, κάθε πρόγραμμα εκτελείται για πολλούς κύκλους, μετά ο επεξεργαστής μεταφέρεται σε άλλο πρόγραμμα και όλα τα περιεχόμενα των καταχωρητών αποθηκεύονται σε ΕΜΒΟΛΟ. Όταν ο έλεγχος επιστρέφει σε αυτό το πρόγραμμα, οι προηγουμένως αποθηκευμένες τιμές φορτώνονται στους καταχωρητές.

συμπεράσματα

Αυτό είναι όλο, σε αυτό το άρθρο εξετάσαμε πώς λειτουργεί ένας επεξεργαστής υπολογιστή, τι είναι ο επεξεργαστής και από τι αποτελείται. Μπορεί να είναι λίγο περίπλοκο, αλλά έχουμε καλύψει τα πράγματα πιο απλά. Ελπίζω να έχετε τώρα μια πιο ξεκάθαρη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας αυτής της πολύ περίπλοκης συσκευής.

Στο τέλος του βίντεο σχετικά με την ιστορία της δημιουργίας επεξεργαστών:

Ένας προσωπικός υπολογιστής είναι ένα πολύ περίπλοκο και πολύπλευρο πράγμα, αλλά σε κάθε ένα μονάδα του συστήματοςθα βρούμε το κέντρο όλων των λειτουργιών και διεργασιών - τον μικροεπεξεργαστή. Τι αποτελείται από έναν επεξεργαστή υπολογιστή και γιατί χρειάζεται;

Πιθανώς, πολλοί θα χαρούν να μάθουν από τι αποτελείται ο μικροεπεξεργαστής. προσωπικός υπολογιστής. Αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από συνηθισμένες πέτρες, βράχους.

Ναι, έτσι είναι... Ο επεξεργαστής περιέχει ουσίες όπως, για παράδειγμα, πυρίτιο - το ίδιο υλικό που συνθέτει πετρώματα άμμου και γρανίτη.

Επεξεργαστής Hoff

Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής για έναν προσωπικό υπολογιστή εφευρέθηκε σχεδόν πριν από μισό αιώνα - το 1970 από τον Martian Edward Hoff και την ομάδα μηχανικών του από την Intel.

Ο πρώτος επεξεργαστής του Hoff έτρεχε μόνο στα 750 kHz.

Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός επεξεργαστή υπολογιστή σήμερα, φυσικά, δεν είναι συγκρίσιμα με το παραπάνω σχήμα, οι τρέχουσες "πέτρες" είναι αρκετές χιλιάδες φορές πιο ισχυρές από τον πρόγονό τους και πριν από αυτό, είναι καλύτερο να εξοικειωθείτε με τις εργασίες που λύνει.

Πολλοί πιστεύουν ότι οι επεξεργαστές μπορούν να «σκέφτονται». Πρέπει να ειπωθεί αμέσως ότι δεν υπάρχει κόκκος αλήθειας σε αυτό. Οποιοσδήποτε επεξεργαστής προσωπικού υπολογιστή βαρέως τύπου αποτελείται από πολλά τρανζίστορ - ένα είδος διακοπτών που εκτελούν μία μόνο λειτουργία - για να παρακάμψετε το σήμα περαιτέρω ή να το σταματήσετε. Η επιλογή εξαρτάται από την τάση του σήματος.

Αν το δεις από την άλλη πλευρά, μπορείς να δεις από τι αποτελείται ο μικροεπεξεργαστής και αποτελείται από καταχωρητές - κελιά επεξεργασίας πληροφοριών.

Για τη σύνδεση της «πέτρας» με τις υπόλοιπες συσκευές προσωπικών υπολογιστών, χρησιμοποιείται ένας ειδικός δρόμος υψηλής ταχύτητας, που ονομάζεται «λεωφορείο». Μικροσκοπικά ηλεκτρομαγνητικά σήματα «πετούν» μέσα από αυτό με αστραπιαία ταχύτητα. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας του επεξεργαστή ενός υπολογιστή ή φορητού υπολογιστή.

συσκευή μικροεπεξεργαστή

Πώς είναι διατεταγμένος ένας επεξεργαστής υπολογιστή; Σε οποιονδήποτε μικροεπεξεργαστή, μπορούν να διακριθούν 3 στοιχεία:

1. Πυρήνας επεξεργαστή (εκεί συμβαίνει η διαίρεση των μηδενικών και των μονάδων).
2. Η προσωρινή μνήμη είναι μια μικρή αποθήκευση πληροφοριών ακριβώς μέσα στον επεξεργαστή.
3. Ο συνεπεξεργαστής είναι ένα ειδικό κέντρο εγκεφάλου οποιουδήποτε επεξεργαστή, στο οποίο λαμβάνουν χώρα οι πιο περίπλοκες λειτουργίες. Εδώ είναι η εργασία με τα αρχεία πολυμέσων.

Το κύκλωμα του επεξεργαστή υπολογιστή σε μια απλοποιημένη έκδοση έχει ως εξής:

Ένας από τους κύριους δείκτες του μικροεπεξεργαστή είναι η συχνότητα ρολογιού. Δείχνει πόσους κύκλους εκτελεί η «πέτρα» ανά δευτερόλεπτο. Η ισχύς του επεξεργαστή υπολογιστή εξαρτάται από το σύνολο των ενδείξεων που δίνονται παραπάνω.

Ας σημειωθεί ότι κάποτε οι εκτοξεύσεις πυραύλων και η λειτουργία των δορυφόρων ελεγχόταν από μικροεπεξεργαστές με συχνότητα ρολογιού χίλιες φορές μικρότερη από αυτή των σημερινών «αδερφών». Και το μέγεθος ενός τρανζίστορ είναι 22 nm, το στρώμα των τρανζίστορ είναι μόνο 1 nm. Για αναφορά, 1 nm έχει πάχος 5 ατόμων!

Τώρα ξέρετε πώς λειτουργεί ένας επεξεργαστής υπολογιστή και ποιες επιτυχίες έχουν επιτύχει οι επιστήμονες που εργάζονται σε εταιρείες κατασκευής προσωπικών υπολογιστών.

Δομή της CPU

Για να καταστεί σαφές σε έναν μη επαγγελματία πώς λειτουργεί ο κεντρικός επεξεργαστής ενός υπολογιστή, σκεφτείτε από ποια μπλοκ αποτελείται:

Μονάδα ελέγχου επεξεργαστή;

Μητρώα εντολών και δεδομένων.

Αριθμητικές λογικές μονάδες (εκτελούν αριθμητικές και λογικές πράξεις);

Μπλοκ πράξεων με πραγματικούς αριθμούς, δηλαδή με αριθμούς κινητής υποδιαστολής ή, πιο απλά, με κλάσματα (FPU).

Buffer μνήμη (cache) πρώτου επιπέδου (ξεχωριστά για εντολές και δεδομένα).

Προσωρινή μνήμη (cache) δεύτερου επιπέδου για αποθήκευση ενδιάμεσων αποτελεσμάτων υπολογισμών.

Οι περισσότεροι σύγχρονοι επεξεργαστές διαθέτουν επίσης κρυφή μνήμη τρίτου επιπέδου.

Διεπαφή διαύλου συστήματος.

Η αρχή του επεξεργαστή

Ο αλγόριθμος του κεντρικού επεξεργαστή του υπολογιστή μπορεί να αναπαρασταθεί ως ακολουθία των παρακάτω ενεργειών.

Η μονάδα ελέγχου επεξεργαστή παίρνει από τη μνήμη RAM στην οποία φορτώνεται το πρόγραμμα ορισμένες τιμές (δεδομένα) και εντολές που πρέπει να εκτελεστούν (οδηγίες). Αυτά τα δεδομένα φορτώνονται στην κρυφή μνήμη του επεξεργαστή.

Από μνήμη bufferοι οδηγίες του επεξεργαστή (cache) και τα ληφθέντα δεδομένα εγγράφονται σε καταχωρητές. Οι εντολές τοποθετούνται σε καταχωρητές εντολών και οι τιμές τοποθετούνται σε καταχωρητές δεδομένων.

Η αριθμητική λογική μονάδα διαβάζει οδηγίες και δεδομένα από τον αντίστοιχο επεξεργαστή καταχωρεί και εκτελεί αυτές τις εντολές στους λαμβανόμενους αριθμούς.

Τα αποτελέσματα εγγράφονται ξανά στους καταχωρητές και, εάν ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί, στην προσωρινή μνήμη του επεξεργαστή. Ο επεξεργαστής έχει πολύ λίγους καταχωρητές, επομένως αναγκάζεται να αποθηκεύει ενδιάμεσα αποτελέσματα στη μνήμη cache διαφόρων επιπέδων.

Νέα δεδομένα και εντολές που είναι απαραίτητες για τους υπολογισμούς φορτώνονται στην κρυφή μνήμη ανώτερου επιπέδου (από την τρίτη στη δεύτερη, από τη δεύτερη στην πρώτη) και τα αχρησιμοποίητα δεδομένα, αντίθετα, στην κρυφή μνήμη κατώτερου επιπέδου.

Εάν ο κύκλος υπολογισμού έχει τελειώσει, το αποτέλεσμα εγγράφεται στη μνήμη RAM του υπολογιστή για να ελευθερωθεί χώρος στην προσωρινή μνήμη του επεξεργαστή για νέους υπολογισμούς. Το ίδιο συμβαίνει όταν η κρυφή μνήμη είναι γεμάτη δεδομένα: τα αχρησιμοποίητα δεδομένα μετακινούνται στην κρυφή μνήμη χαμηλότερου επιπέδου ή στη μνήμη RAM.

Η ακολουθία αυτών των λειτουργιών αποτελεί το λειτουργικό νήμα του επεξεργαστή. Κατά τη λειτουργία, ο επεξεργαστής ζεσταίνεται πολύ. Για να μην συμβεί αυτό, πρέπει να καθαρίσετε εγκαίρως τον φορητό υπολογιστή σας στο σπίτι.

Προκειμένου να επιταχυνθεί η εργασία του κεντρικού επεξεργαστή και να αυξηθεί η απόδοση των υπολογισμών, αναπτύσσονται συνεχώς νέες αρχιτεκτονικές λύσεις που αυξάνουν την απόδοση του επεξεργαστή. Μεταξύ αυτών είναι η εκτέλεση εργασιών με αγωγό, η ιχνηλάτηση, δηλαδή μια προσπάθεια πρόβλεψης περαιτέρω ενέργειεςπρογράμματα, παράλληλη επεξεργασία εντολών (εντολών), multithreading και multi-core.

Πολυπύρηνος επεξεργαστήςέχει αρκετούς υπολογιστικούς πυρήνες, δηλαδή πολλές αριθμητικές-λογικές μονάδες, μονάδες και καταχωρητές κινητής υποδιαστολής, καθώς και μια κρυφή μνήμη πρώτου επιπέδου, καθεμία ενωμένη στον δικό της πυρήνα. Οι πυρήνες έχουν κοινή μνήμη buffer του δεύτερου και του τρίτου επιπέδου. Η εμφάνιση της κρυφής μνήμης τρίτου επιπέδου προκλήθηκε ακριβώς από πολλαπλούς πυρήνες και, κατά συνέπεια, από την ανάγκη για πιο γρήγορη μνήμη buffer για την αποθήκευση των ενδιάμεσων αποτελεσμάτων των υπολογισμών.

Οι κύριοι δείκτες που επηρεάζουν την ταχύτητα επεξεργασίας δεδομένων από τον επεξεργαστή είναι ο αριθμός των πυρήνων επεξεργασίας, το μήκος του αγωγού, η συχνότητα ρολογιού και η ποσότητα της προσωρινής μνήμης. Για να αυξήσετε την απόδοση ενός υπολογιστή, είναι συχνά απαραίτητο να αλλάξετε τον επεξεργαστή και αυτό συνεπάγεται αντικατάσταση μητρική πλακέτακαι RAM. Οι ειδικοί μας θα σας βοηθήσουν να αναβαθμίσετε, να διαμορφώσετε και να επισκευάσετε τον υπολογιστή σας στο σπίτι στη Μόσχα. κέντρο εξυπηρέτησης, αν φοβάστε τη διαδικασία αυτοσυναρμολόγησης και εκσυγχρονισμού του υπολογιστή.