В этой статье мы будем говорить только о компьютерных процессорах. Но важно знать, что процессор есть в любом электронном устройстве: смартфоне, планшете и даже микроволновке. Конечно, микросхема холодильника устроена проще, чем микросхема компьютера, но обе они работают по одному принципу.
Что такое процессор в компьютере
Процессор, центральный процессор (или просто CPU) — это главная микросхема в компьютере, ответственная за выполнение всех задач. Процессор получает указания от запущенных на компьютере программ, обрабатывает их и передает дальше — другим компонентам компьютера (например, видеокарте).
Как выглядит процессор
Если захотите посмотреть, как выглядит процессор в вашем компьютере, ищите его в сокете — специально подготовленном разъёме на материнской плате.
Внешне CPU представляет собой металлическую пластинку толщиной не более 2 миллиметров. С одной стороны располагается квадратная металлическая крышка. Под ней установлен чип из кремния, размером не больше человеческого ногтя. На обратной стороне процессора располагается множество ножек — контактов.
Любой процессор начинается с песка. В песке содержится 20-30% кремния, из которого изготовляется чип процессора.
Из чего состоит процессор
Архитектура (то, как устроен процессор) зависит от его производителя и поколения. Большинство современных микросхем состоят из трёх частей.
Ядро
В нём обрабатываются все данные. Само ядро делится на АЛУ и УУ. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все операции, связанные с логикой и арифметикой. Устройство управления (УУ) составляет алгоритмы действий и отправляет в разные части компьютера.
Память процессора
Память хранит временные данные, промежуточные и конечные результаты их обработки. Память состоит из двух частей: регистров и кэша.
Регистры хранят промежуточные результаты обработки данных и текущие команды.
Кэш сохраняет наиболее часто используемые команды. Ядру не приходится каждый раз их обрабатывать, оно просто обращается к кэш-памяти, и это значительно ускоряет работу процессора.
Интерфейс
Он используется процессором для связи с другими частями компьютера. Интерфейсная система состоит из портов ввода-вывода и шины.
Современное представление о том, как устроен процессор, основано на концепции “машины Джона фон Неймана”, американского математика.
Как работает процессор
В основе работы процессора лежит машинный цикл (с англ. fetch-decode-execute cycle). В цикле три этапа:
- Fetch (выборка) — процессор получает команду.
- Decode (декодирование) — полученная команда расшифровывается.
- Execute (выполнить) — нужные части процессора активируются и команда выполняется.
Каждую секунду запускаются миллионы таких циклов. Их результатом будут привычные для нас действия, например запуск браузера Google Chrome или набор предложения в Microsoft Word.
3 основных типа команд процессора
В начале цикла fetch-decode-execute оперативная память отправляет процессору команды разного типа. На этапе декодирования процессор сортирует команды на три типа: арифметико-логические, команды и иерархия памяти, команды перехода и ветвления. Каждая из команд отправится в разные части процессора и выполняться будет тоже по-разному.
Арифметико-логическое устройство
“Сложи А и Б”. Эти команды выполняются арифметико-логическим устройством. Они связаны с:
- арифметическими операциями (сложить, вычесть, умножить, разделить, сравнить)
- логическими операциями (конъюнкция, дизъюнкция, инверсия, импликация, эквивалентность)
Команды и иерархия памяти
“Найди значение в памяти по адресу 0987”. Когда процессор получает такую команду, он обращается к памяти и ведет поиски в иерархическом порядке. Сначала CPU ищет в ближайшем к нему хранилище — регистрах. Не найдя, отправляется в кэш. Если и в кэше нет заданного адреса, то процессор ищет в оперативной памяти, а затем в накопителях (на SSD или HDD диске). Чем дальше по иерархии, тем больше объём данных и длительнее поиск.
Команды перехода и ветвления
“Если А = Б, то покажи на экране “Г””. Команды перехода и ветвления происходят от циклов в программировании (IF, FOR, RETURN). Этот тип представляет из себя разветвление с условиями.
Какими будут процессоры в будущем
Два самых реалистичных прогноза развития процессоров: переход на квантовые вычисления и графен.
Квантовые вычисления
Обычные компьютеры используют биты и байты, в то время как квантовые машины производят вычисления с кубитами. Кубиты способны хранить множество значений, что позволяет обрабатывать огромные массивы данных одновременно.
Есть проблема: максимальная скорость работы кремниевого чипа намного ниже той, которую требуют квантовые вычисления. Поэтому индустрия движется к графеновым чипам.
Графен
У этого материала есть все шансы стать будущим компьютерных вычислений: он проводит электричество в 200 раз быстрее кремния, а тактовая частота графеновых чипов в 1000 раз больше частоты кремниевых. Такие процессоры потребляют в 100 раз меньше энергии, чем их кремниевые аналоги.
Но всё это доказано лишь на бумаге. Пока не существует реального прототипа графенового чипа, он находится на этапе разработки.
- Процессор, центральный процессор (или просто CPU) — это главная микросхема в компьютере, ответственная за выполнение всех задач.
- CPU небольшого размера, устанавливается в сокет на материнской плате.
- Внутри процессор состоит из ядра, памяти и интерфейса.
- Все вычисления проходят по машинному циклу.
- Процессор работает с 3 типами команд: арифметико-логическими, командами перехода и ветвления, командами и иерархией памяти.
- Квантовые вычисления и графен — будущее развития процессоров.
