Что такое центральный процессор и что он делает?

Самой важной частью вашего компьютера, если бы вам нужно было выбрать только одну, был бы центральный процессор (ЦП). Это основной концентратор (или «мозг»), который обрабатывает инструкции, поступающие от программ, операционной системы или других компонентов вашего ПК.

1 и 0

Благодаря более мощным процессорам мы перешли от возможности отображать изображение на экране компьютера к Netflix, видеочату, потоковой передаче и всё более реалистичным видеоиграм.

Процессор — чудо инженерной мысли, но по своей сути он по-прежнему опирается на базовую концепцию интерпретации двоичных сигналов (1 и 0). Разница теперь в том, что вместо чтения перфокарт или обработки инструкций с помощью наборов электронных ламп современные процессоры используют крошечные транзисторы для создания видео TikTok или заполнения чисел в электронной таблице.

Основы центрального процессора

Процесс производства центральных процессоров сложный. Важным моментом является то, что в каждом процессоре есть кремний (либо один кусок, либо несколько), на котором размещены миллиарды микроскопических транзисторов.

Смотрите также: Как на самом деле делают процессоры?

Как мы упоминали ранее, эти транзисторы используют серию электрических сигналов (ток «включён» и ток «выключен») для представления машинного двоичного кода, состоящего из единиц и нулей. Поскольку таких транзисторов так много, процессоры могут выполнять всё более сложные задачи на более высоких скоростях, чем раньше.

Количество транзисторов не обязательно означает, что процессор будет быстрее. Тем не менее это по-прежнему фундаментальная причина, по которой телефон, который вы носите в кармане, обладает гораздо большей вычислительной мощностью, чем, возможно, была вся электроника на планете, когда мы впервые отправились на Луну.

Прежде чем двигаться дальше по концептуальной лестнице ЦП, давайте поговорим о том, как ЦП выполняет инструкции на основе машинного кода, называемого «набором инструкций». Процессоры разных компаний могут иметь разные наборы инструкций, но не всегда.

Например, большинство ПК с Windows и современные процессоры Mac используют набор инструкций x86-64, независимо от того, являются ли они процессорами Intel или AMD. Однако компьютеры Mac, дебютирующие в конце 2020 года, будут иметь процессоры на базе ARM, которые используют другой набор инструкций. Также есть небольшое количество ПК с Windows 10, использующих процессоры ARM.

Ядра, кэши и графика

Теперь давайте посмотрим на сам кремний. Диаграмма выше взята из официального документа Intel, опубликованного в 2014 году, об архитектуре ЦП компании для Core i7-4770S. Это всего лишь пример того, как выглядит один процессор — другие процессоры имеют другую компоновку.

Мы видим, что это четырехъядерный процессор. Было время, когда процессор имел только одно ядро. Теперь, когда у нас есть несколько ядер, они обрабатывают инструкции намного быстрее. Ядра также могут иметь что-то, называемое гиперпоточностью или одновременной многопоточностью (SMT), из-за чего одно ядро похоже на два для ПК. Это, как вы можете себе представить, помогает ещё больше ускорить время обработки.

Смотрите также: Основы центральных процессоров: несколько процессоров, ядер и Hyper-Threading

Ядра на этой диаграмме совместно используют нечто, называемое кешем L3. Это форма встроенной памяти внутри ЦП. ЦП также имеют кэши L1 и L2, содержащиеся в каждом ядре, а также регистры, которые представляют собой форму низкоуровневой памяти.

Регистры — это места, где находятся значения, над которыми фактически работает ЦП. Конструкция ЦП такова, что он может фактически изменять или иным образом воздействовать на значение только тогда, когда оно находится в регистре. Таким образом, регистры могут работать по логике, тогда как память (включая кеш) может хранить только значения, которые ЦП считывает и записывает.

Представьте плотника за работой. У него в руках несколько предметов (регистры), а затем совсем рядом на его верстаке (кэш) вещи, над которыми он часто работает, но не использует в данный момент, а затем в мастерской (основная память) вещи, относящиеся к проекту над которым он сейчас работает, но они не настолько важны, чтобы быть на рабочем месте.

ЦП, показанный выше, также содержит системный агент, контроллер памяти и другие части кремния, которые управляют информацией, поступающей и исходящей из ЦП.

Наконец, есть встроенная графика процессора, которая генерирует все те замечательные визуальные элементы, которые вы видите на экране. Не все процессоры имеют собственные графические возможности. Например, процессорам AMD Zen для настольных ПК требуется дискретная видеокарта для отображения чего-либо на экране. Некоторые процессоры Intel Core для настольных ПК также не имеют встроенной графики.

ЦП на материнской плате

Теперь, когда мы рассмотрели, что происходит под капотом ЦП, давайте посмотрим, как он интегрируется с остальной частью вашего ПК. ЦП находится в так называемом сокете на материнской плате вашего ПК.

Как только он вставлен в сокет, другие части компьютера могут подключаться к ЦП через так называемые «шины». Например, оперативная память подключается к ЦП через собственную шину, в то время как многие компоненты ПК используют шину определённого типа, называемую «PCIe».

У каждого процессора есть набор «линий PCIe», которые он может использовать. Например, процессоры AMD Zen 2 имеют 24 полосы, которые подключаются непосредственно к процессору. Затем эти полосы распределяются между производителями материнских плат под руководством AMD.

Например, 16 дорожек обычно используются для слота для видеокарты x16. Затем есть четыре полосы для хранения, например, одно быстрое устройство хранения, например твердотельный накопитель M.2. В качестве альтернативы эти четыре полосы также могут быть разделены. Две полосы можно использовать для твердотельного накопителя M.2, а две — для более медленного диска SATA, такого как жёсткий диск или 2,5-дюймовый твердотельный накопитель.

Это 20 линий, а остальные четыре зарезервированы для чипсета, который является коммуникационным центром и контроллером трафика для материнской платы. Затем набор микросхем имеет собственный набор шинных соединений, что позволяет добавлять в ПК ещё больше компонентов. Как и следовало ожидать, более производительные компоненты имеют более прямое подключение к ЦП.

Как видите, ЦП выполняет большую часть обработки инструкций, а иногда даже работает над графикой (если он для этого предназначен, то есть если у него есть графическое ядро). Однако ЦП — не единственный способ обработки инструкций. Другие компоненты, такие как видеокарта, имеют собственные встроенные возможности обработки. Графический процессор также использует свои собственные возможности обработки для работы с ЦП и запуска игр или выполнения других задач, требующих интенсивной работы с графикой.

Большая разница в том, что компонентные процессоры создаются с учётом конкретных задач. ЦП, однако, является устройством общего назначения, способным выполнять любую вычислительную задачу, которую ему поручают. Вот почему ЦП безраздельно господствует внутри вашего ПК, и остальная часть системы полагается на его работу.