Zariadenie a princíp činnosti procesora

Procesor je hlavné počítačové zariadenie, ktoré vykonáva logické a aritmetické operácie a riadi všetky komponenty počítača. Procesor je miniatúrna tenká obdĺžniková silikónová doska, v ktorej je uložené obrovské množstvo tranzistorov, ktoré implementujú všetky funkcie vykonávané procesorom. Pazúrik je veľmi krehký a keďže jeho poškodenie povedie k poruche procesora, je umiestnený v plastovom alebo keramickom obale.

1. Úvod.

Moderný procesor je komplexné a high-tech zariadenie, ktoré zahŕňa všetky najnovšie úspechy v oblasti výpočtovej techniky a súvisiacich oblastí vedy.

Väčšina moderných procesorov pozostáva z:

• jedno alebo viac jadier, ktoré vykonávajú všetky inštrukcie;
• niekoľko úrovní vyrovnávacej pamäte (zvyčajne 2 alebo tri úrovne), ktoré urýchľujú interakciu procesora s RAM;
• radič RAM;
• ovládač systémovej zbernice (DMI, QPI, HT atď.);

A vyznačuje sa nasledujúcimi parametrami:

• typ mikroarchitektúry;
• frekvencia hodín;
• súbor spustiteľných príkazov;
• počet úrovní vyrovnávacej pamäte a ich objem;
• typ a rýchlosť systémovej zbernice;
• veľkosť spracovaných slov;
• prítomnosť alebo neprítomnosť vstavaného pamäťového radiča;
• typ podporovanej pamäte RAM;
• množstvo adresovateľnej pamäte;
• prítomnosť alebo neprítomnosť integrovaného grafického jadra;
• spotreba energie.

Zjednodušená bloková schéma moderného viacjadrového procesora je znázornená na obrázku 1.

Začnime recenziu procesorového zariadenia jeho hlavnou časťou - jadrom.

2. Jadro procesora.

Jeho hlavnou časťou je jadro procesora, ktoré obsahuje všetky funkčné bloky a vykonáva všetky logické a aritmetické operácie.

Obrázok 1 zobrazuje blokovú schému zariadenia s jadrom procesora. Ako vidíte na obrázku, každé jadro procesora pozostáva z niekoľkých funkčných blokov:

• blok načítania inštrukcií;
• bloky na dekódovanie pokynov;
• bloky vzorkovania údajov;
• riadiaci blok;
• bloky vykonávania pokynov;
• bloky na ukladanie výsledkov;
• blok práce s prerušeniami;
• ROM obsahujúca mikrokód;
• súbor registrov;
• počítadlo príkazov.

Blok načítania pokynovčíta inštrukcie na adrese uvedenej v počítadle programu. Zvyčajne číta niekoľko pokynov za cyklus. Počet prečítaných inštrukcií je určený počtom dekódovacích blokov, pretože je potrebné načítať dekódovacie bloky čo najviac v každom cykle prevádzky. Aby jednotka na vyzdvihnutie inštrukcie fungovala optimálne, jadro procesora má prediktor vetvenia.

prediktor prechodu sa snaží určiť, aká postupnosť príkazov sa vykoná po vykonaní skoku. Je to potrebné, aby sa po podmienenom skoku čo najviac načítalo potrubie jadra procesora.

Dekódovanie blokov, ako už z názvu vyplýva, ide o bloky, ktoré sa zaoberajú dekódovaním inštrukcií, t.j. určiť, čo musí procesor urobiť a aké ďalšie dáta sú potrebné na vykonanie inštrukcie. Táto úloha pre väčšinu moderných komerčných procesorov postavených na základe konceptu CISC je veľmi náročná. Faktom je, že dĺžka inštrukcií a počet operandov nie sú pevne stanovené, čo značne komplikuje život vývojárom procesorov a robí z dekódovacieho procesu netriviálnu úlohu.

Jednotlivé zložité inštrukcie musia byť často nahradené mikrokódom – sériou jednoduchých inštrukcií, ktoré spoločne vykonávajú rovnakú činnosť ako jedna komplexná inštrukcia. Sada mikrokódu je uložená v pamäti ROM zabudovanej v procesore. Okrem toho mikrokód zjednodušuje vývoj procesora, pretože nie je potrebné vytvárať zložité bloky jadra na vykonávanie jednotlivých príkazov a oprava mikrokódu je oveľa jednoduchšia ako oprava chyby vo fungovaní bloku.

V moderných procesoroch sú zvyčajne 2-4 jednotky na dekódovanie inštrukcií, napríklad v procesoroch Intel Core 2 každé jadro obsahuje dve takéto jednotky.

Vzorové dátové bloky načítať údaje z vyrovnávacej pamäte alebo pamäte RAM potrebné na vykonanie aktuálnych pokynov. Každé jadro procesora zvyčajne obsahuje niekoľko jednotiek na získavanie údajov. Napríklad procesory Intel Core používajú dve jednotky na načítanie údajov pre každé jadro.

riadiaci blok Na základe dekódovaných inštrukcií riadi činnosť blokov vykonávania inštrukcií, rozdeľuje medzi ne záťaž a zabezpečuje včasné a správne vykonávanie inštrukcií. Ide o jeden z najdôležitejších blokov jadra procesora.

Bloky vykonávania pokynov obsahuje niekoľko rôznych typov blokov:

ALU - aritmetická logická jednotka;

FPU - zariadenie na vykonávanie operácií s pohyblivou rádovou čiarkou;

Bloky na spracovanie rozšírenia inštrukčných sád. Ďalšie inštrukcie slúžia na zrýchlenie spracovania dátových tokov, šifrovanie a dešifrovanie, kódovanie videa atď. Na tento účel sa do jadra procesora zavedú ďalšie registre a sady logiky. V súčasnosti sú najpopulárnejšie rozšírenia inštrukčnej sady:

MMX (Multimedia Extensions) je súbor inštrukcií vyvinutých spoločnosťou Intel na urýchlenie kódovania a dekódovania streamovaných audio a video dát;

SSE (Streaming SIMD Extensions) je súbor inštrukcií vyvinutých spoločnosťou Intel na vykonávanie rovnakej postupnosti operácií so súborom údajov pri paralelizácii výpočtového procesu. Inštrukčné sady sa neustále zdokonaľujú av súčasnosti existujú revízie: SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4;

ATA (Application Targeted Accelerator) je súbor pokynov vyvinutých spoločnosťou Intel na zrýchlenie špecializovaného softvéru a zníženie spotreby energie pri práci s takýmito programami. Tieto pokyny je možné použiť napríklad pri výpočte kontrolných súčtov alebo vyhľadávaní údajov;

3DNow je inštrukčná sada vyvinutá spoločnosťou AMD na rozšírenie možností inštrukčnej sady MMX;

AES (Advanced Encryption Standard) je súbor pokynov vyvinutých spoločnosťou Intel na zrýchlenie aplikácií, ktoré používajú šifrovanie údajov pomocou algoritmu s rovnakým názvom.

Blok na ukladanie výsledkov poskytuje záznam o výsledku vykonania inštrukcie v RAM na adrese uvedenej v spracovávanej inštrukcii.

Blokovanie prerušenia. Práca s prerušeniami je jednou z najdôležitejších úloh procesora, umožňuje mu včas reagovať na udalosti, prerušiť priebeh programu a vykonať od neho požadované akcie. Vďaka prítomnosti prerušení je procesor schopný pseudoparalelnej prevádzky, t.j. na takzvaný multitasking.

Spracovanie prerušení je nasledovné. Procesor pred začiatkom každého pracovného cyklu skontroluje prítomnosť požiadavky na prerušenie. Ak dôjde k prerušeniu na spracovanie, procesor uloží do zásobníka adresu inštrukcie, ktorú mal vykonať, a dáta prijaté od vykonania poslednej inštrukcie a pokračuje vo vykonávaní funkcie služby prerušenia.

Po dokončení obsluhy prerušenia sa uložené dáta načítajú zo zásobníka a procesor obnoví vykonávanie obnovenej úlohy.

Registre- ultra rýchla pamäť s náhodným prístupom (prístup k registrom je niekoľkonásobne rýchlejší ako prístup do vyrovnávacej pamäte) malého množstva (niekoľko stoviek bajtov), ​​ktorá je súčasťou procesora, na dočasné ukladanie medzivýsledkov vykonávania inštrukcie. Registre procesorov sa delia na dva typy: všeobecné registre a špeciálne registre.

Všeobecné registre sa používajú pri vykonávaní aritmetických a logických operácií alebo špecifických operácií prídavných inštrukčných sád (MMX, SSE atď.).

Účelové registre obsahujú systémové údaje potrebné pre činnosť procesora. Medzi takéto registre patria napríklad riadiace registre, registre systémových adries, registre ladenia atď. Prístup k týmto registrom je prísne regulovaný.

Počítadlo príkazov– register obsahujúci adresu inštrukcie, ktorú procesor začne vykonávať pri ďalšom cykle práce.

2.1 Princíp činnosti jadra procesora.

Princíp činnosti jadra procesora je založený na cykle, ktorý opísal John von Neumann v roku 1946. V zjednodušenej forme možno fázy cyklu jadra procesora znázorniť takto:

1. Blok vyzdvihnutia inštrukcie kontroluje prerušenia. Ak dôjde k prerušeniu, potom sa do zásobníka zapíšu údaje registrov a programového počítadla a do programového počítadla sa zapíše adresa inštrukcie obsluhy prerušenia. Na konci funkcie spracovania prerušenia sa dáta zo zásobníka obnovia;

2. Blok vyzdvihnutia inštrukcie z programového čítača prečíta adresu inštrukcie, ktorá sa má vykonať. Príkaz sa načíta z vyrovnávacej pamäte alebo RAM na tejto adrese. Prijaté dáta sa prenesú do dekódovacieho bloku;

3. Blok dekódovania príkazov dešifruje príkaz, ak je to potrebné, pomocou mikrokódu uloženého v ROM na interpretáciu príkazu. Ak ide o príkaz skoku, adresa skoku sa zapíše do programového čítača a riadenie sa prenesie do bloku vyzdvihnutia inštrukcie (bod 1), inak sa programový čítač zväčší o veľkosť inštrukcie (pre procesor s dlhou inštrukciou 32 bitov - po 4) a prenáša riadenie do bloku vyzdvihovania dát;

4. Blok na načítanie údajov načíta údaje potrebné na vykonanie príkazu z vyrovnávacej pamäte alebo RAM a odovzdá riadenie plánovaču;

5. Riadiaci blok určuje, ktorý blok vykonávania inštrukcie má spracovať aktuálnu úlohu a prenáša riadenie na tento blok;

6. Bloky na vykonávanie pokynov vykonávajú činnosti požadované príkazom a prenášajú riadenie do bloku na ukladanie výsledkov;

7. Ak je potrebné uložiť výsledky do pamäte RAM, blok uloženia výsledkov vykoná na to potrebné akcie a prenesie riadenie do bloku načítania inštrukcií (bod 1).

Vyššie opísaná slučka sa nazýva proces (preto sa procesor nazýva procesor). Postupnosť príkazov, ktoré sa majú vykonať, sa nazýva program.

Rýchlosť prechodu z jednej fázy cyklu do druhej je určená hodinovou frekvenciou procesora a prevádzkový čas každej fázy cyklu a čas strávený úplným vykonaním jednej inštrukcie je určený zariadením jadro procesora.

2.2. Spôsoby, ako zlepšiť výkon jadra procesora.

Zvýšenie výkonu jadra procesora zvýšením taktovacej frekvencie má tvrdý limit. Zvýšenie taktovacej frekvencie má za následok zvýšenie teploty procesora, spotreby energie a zníženie jeho stability a životnosti.

Vývojári procesorov preto využívajú rôzne architektonické riešenia na zvýšenie výkonu procesorov bez zvýšenia taktovacej frekvencie.

Zvážte hlavné spôsoby, ako zlepšiť výkon procesora.

2.2.1. Potrubné vedenie.

Každá inštrukcia vykonaná procesorom postupne prechádza všetkými blokmi jadra, z ktorých každý vykonáva svoju vlastnú časť akcií potrebných na vykonanie inštrukcie. Ak začnete spracovávať novú inštrukciu až po dokončení práce na prvej inštrukcii, väčšina blokov jadra procesora bude v každom okamihu nečinná a v dôsledku toho nebudú možnosti procesora plne využité. .

Zoberme si príklad, v ktorom procesor vykoná program pozostávajúci z piatich inštrukcií (K1–K5) bez použitia princípu pipeliningu. Pre zjednodušenie príkladu predpokladajme, že každý blok jadra procesora vykoná inštrukciu za 1 hodinový cyklus.

Takže ty	Získajte pokyny	Dekódovanie pokynov	Vzorkovanie údajov	Vykonávanie pokynov	Uloženie výsledku
1	K1	-	-	-	-
2	-	K1	-	-	-
3	-	-	K1	-	-
4	-	-	-	K1	-
5	-	-	-	-	K1
6	K2	-	-	-	-
7	-	K2	-	-	-
8	-	-	K2	-	-
9	-	-	-	K2	-
10	-	-	-	-	K2
11	K3	-	-	-	-
12	-	K3	-	-	-
13	-	-	K3	-	-
14	-	-	-	K3	-
15	-	-	-	-	K3
16	K4	-	-	-	-
17	-	K4	-	-	-
18	-	-	K4	-	-
19	-	-	-	K4	-
20	-	-	-	-	K4
21	K5	-	-	-	-
22	-	K5	-	-	-
23	-	-	K5	-	-
24	-	-	-	K5	-
25	-	-	-	-	K5

Ako vidno z tabuľky, procesoru trvalo 25 cyklov, kým vykonal päť inštrukcií. Zároveň v každom cykle boli štyri z piatich blokov jadra procesora nečinné, t.j. procesor využil len 20 % svojho potenciálu. Prirodzene, v skutočných procesoroch je všetko komplikovanejšie. Rôzne bloky procesora riešia úlohy rôznej zložitosti. Samotné inštrukcie sa od seba líšia aj zložitosťou. Vo všeobecnosti je však situácia rovnaká.

Na vyriešenie tohto problému je vo všetkých moderných procesoroch vykonávanie inštrukcií postavené na princípe potrubia, to znamená, že keď sa bloky jadra uvoľnia, načítajú sa spracovaním ďalšej inštrukcie, bez čakania na predchádzajúcu inštrukciu. je plne vykonaná.

Uvažujme o príklade spustenia toho istého programu, ktorý pozostáva z piatich inštrukcií, ale využíva princíp pipeliningu.

Takže ty	Získajte pokyny	Dekódovanie pokynov	Vzorkovanie údajov	Vykonávanie pokynov	Uloženie výsledku
1	K1	-	-	-	-
2	K2	K1	-	-	-
3	K3	K2	K1	-	-
4	K4	K3	K2	K1	-
5	K5	K4	K3	K2	K1
6	-	K5	K4	K3	K2
7	-	-	K5	K4	K3
8	-	-	-	K5	K4
9	-	-	-	-	K5

Rovnaký program bol vykonaný v 9 cykloch, čo je takmer 2,8-krát rýchlejšie ako beh bez potrubia. Ako je zrejmé z tabuľky, maximálne zaťaženie procesora bolo dosiahnuté v 5. cykle. V tomto bode boli použité všetky bloky jadra procesora. A od prvého do štvrtého cyklu vrátane bol dopravník naplnený.

Keďže procesor vykonáva inštrukcie nepretržite, v ideálnom prípade by mohol byť vyťažený na 100 % a čím dlhší pipeline, tým väčší nárast výkonu. Ale v praxi to tak nie je.

Po prvé, skutočný tok inštrukcií spracovaný procesorom je nekonzistentný. Často má prechody. Súčasne, kým nebude inštrukcia podmienenej vetvy úplne spracovaná, pipeline nebude môcť začať vykonávať novú inštrukciu, pretože nevie, na akej adrese sa nachádza.

Po podmienenom skoku sa musí potrubie znovu naplniť. A čím dlhší je dopravník, tým dlhšie to trvá. Výsledkom je zníženie produktivity zo zavedenia dopravníka.

Aby sa znížil vplyv podmienených skokov na prevádzku potrubia, do jadra procesora sa zavádzajú bloky na predpovedanie podmienených skokov. Hlavnou úlohou týchto blokov je určiť, kedy sa uskutoční podmienená vetva a aké inštrukcie sa vykonajú po vykonaní podmienenej vetvy.

Ak bolo podmienené vetvenie predpovedané, potom vykonávanie pokynov na novej adrese začne pred dokončením spracovania inštrukcie podmieneného vetvenia. V dôsledku toho nebude trpieť plnenie dopravníka.

Podľa štatistík presnosť blokov podmienenej predikcie vetvy v moderných procesoroch presahuje 90%, čo vám umožňuje vytvárať pomerne dlhé, ale zároveň dobre vyplnené potrubia.

Po druhé, často spracovávané inštrukcie sú vzájomne prepojené, to znamená, že jedna z inštrukcií vyžaduje ako vstupné dáta výsledok vykonania inej inštrukcie.

V tomto prípade môže byť vykonaná až po úplnom dokončení spracovania prvej inštrukcie. Moderné procesory však dokážu analyzovať kód niekoľko inštrukcií dopredu a napríklad spracovať tretiu inštrukciu paralelne s prvou inštrukciou, ktorá na prvých dvoch nijako nezávisí.

Vo väčšine moderných procesorov úloha analyzovať vzťah medzi pokynmi a zostaviť poradie ich spracovania leží na pleciach procesora, čo nevyhnutne vedie k zníženiu jeho výkonu a zvýšeniu nákladov.

Statické plánovanie je však čoraz populárnejšie, keď sa poradie, v ktorom je program vykonávaný procesorom, určuje vo fáze kompilácie programu. V tomto prípade inštrukcie, ktoré je možné vykonávať paralelne, kompilátor spojí do jednej dlhej inštrukcie, v ktorej sú všetky inštrukcie zjavne paralelné. Procesory, ktoré pracujú s takýmito inštrukciami, sú založené na architektúre VLIW (Very long instrukce word).

2.2.2. Superskalárny.

Superskalarita je architektúra výpočtového jadra, do ktorej možno v niekoľkých prípadoch zahrnúť najviac zaťažené bloky. Napríklad v jadre procesora môže blok na vyzdvihnutie inštrukcie načítať niekoľko dekódovacích blokov naraz.

V tomto prípade bloky, ktoré vykonávajú zložitejšie akcie a bežia dlhšie, kvôli paralelnému spracovaniu niekoľkých inštrukcií naraz, nezdržia celé potrubie.

Paralelné vykonávanie pokynov je však možné len vtedy, ak sú tieto pokyny nezávislé.

Bloková schéma pipeline jadra hypotetického procesora postaveného na superskalárnom princípe je znázornená na obrázku 1. Na tomto obrázku má každé jadro procesora niekoľko dekódovacích jednotiek, niekoľko jednotiek na získavanie údajov a niekoľko jednotiek na vykonávanie inštrukcií.

2.2.3. Paralelné spracovanie údajov.

Je nemožné donekonečna zvyšovať výkon procesorov zvýšením taktovacej frekvencie. Zvýšenie taktovacej frekvencie má za následok zvýšenie odvodu tepla, zníženie životnosti a spoľahlivosti procesorov a oneskorenie prístupu k pamäti výrazne znižuje účinok zvýšenia taktovacej frekvencie. V skutočnosti teraz už len ťažko nájdete procesory s taktovacou frekvenciou vyššou ako 3,8 GHz.

Problémy spojené so zvyšovaním taktovacej frekvencie nútia vývojárov hľadať iné spôsoby zvýšenia výkonu procesorov. Jednou z najpopulárnejších metód je paralelné počítanie.

Prevažná väčšina moderných procesorov má dve alebo viac jadier. Top modely môžu obsahovať 8 alebo dokonca 12 jadier a s podporou technológie hyper-threading. Výhody zavedenia ďalších jadier sú celkom pochopiteľné, prakticky získame niekoľko procesorov schopných samostatne riešiť vlastné úlohy, pričom sa samozrejme zvyšuje výkon. Nárast výkonu však nie vždy spĺňa očakávania.

Po prvé, nie všetky programy podporujú distribúciu výpočtov na niekoľko jadier. Prirodzene, môžete zdieľať programy medzi jadrami, takže každé jadro spúšťa vlastnú sadu nezávislých programov. Napríklad operačný systém so sadou pomocných programov beží na jednom jadre, používateľské programy bežia na inom atď.

To však zvyšuje výkon, kým sa neobjaví program, ktorý vyžaduje viac zdrojov, ako môže poskytnúť jedno jadro. Je dobré, ak podporuje vyrovnávanie záťaže naprieč viacerými jadrami. No momentálne sa dajú verejne dostupné programy, ktoré dokážu rozložiť záťaž medzi 12 jadier a dokonca aj v režime Hyper-Threading, „spočítať na prstoch jednej ruky“. Samozrejme, že preháňam, existujú programy optimalizované na viacvláknové výpočty, ale väčšina bežných používateľov ich nepotrebuje. Ale najpopulárnejšie programy, a ešte viac hry, sa zatiaľ "zle" prispôsobujú viacjadrovým procesorom, najmä ak je počet jadier vyšší ako štyri.

Po druhé, práca s pamäťou sa stáva komplikovanejšou, pretože existuje veľa jadier a všetky potrebujú prístup k RAM. Vyžaduje sa zložitý mechanizmus, ktorý určuje poradie, v ktorom jadrá procesora pristupujú k pamäti a iným zdrojom počítača.

Po tretie, spotreba energie sa zvyšuje a následne sa zvyšuje odvod tepla a je potrebný výkonný chladiaci systém.

A po štvrté, náklady na výrobu viacjadrových procesorov sú pomerne vysoké, a preto cena takýchto procesorov „uhryzne“.

Napriek všetkým nedostatkom však použitie procesorov s 2-4 jadrami nepochybne výrazne zvyšuje výkon. Momentálne však použitie procesorov s viac ako štyrmi jadrami nie vždy napĺňa očakávania. V blízkej budúcnosti by sa však situácia mala dramaticky zmeniť. Určite bude veľa programov s podporou multithreadingu, zvýši sa výkon jednotlivých jadier a zníži sa ich cena.

2.2.4. Technológia Hyper Threading.

Technológia Intel Hyper-threading umožňuje každému jadru procesora vykonávať dve úlohy súčasne, v skutočnosti tak z jedného skutočného jadra vytvorí dve virtuálne jadrá. Je to možné vďaka tomu, že v takýchto jadrách je uložený stav dvoch vlákien naraz, keďže jadro má vlastnú sadu registrov, vlastný programový čítač a vlastnú jednotku prerušenia pre každé vlákno. Výsledkom je, že operačný systém vidí takéto jadro ako dve samostatné jadrá a bude s nimi pracovať rovnako, ako by fungoval s dvojjadrovým procesorom.

Zostávajúce prvky jadra pre obe vlákna sú však spoločné a sú medzi nimi zdieľané. Navyše, keď z nejakého dôvodu jedno z vlákien uvoľní prvky potrubia, druhé vlákno použije voľné bloky.

Prvky potrubia nemusia byť zahrnuté, ak napríklad došlo k chybe pri prístupe do vyrovnávacej pamäte a je potrebné načítať dáta z RAM, alebo bol nesprávne predpovedaný prechod, alebo sa očakávajú výsledky spracovania aktuálnej inštrukcie, resp. niektoré bloky sa pri spracovaní tohto návodu vôbec nepoužívajú a pod.

Väčšina programov nemôže plne zaťažiť procesor, pretože niektoré používajú hlavne jednoduché celočíselné výpočty s malým alebo žiadnym využitím FPU. Iné programy, ako napríklad 3D Studio, vyžadujú veľa výpočtov pomocou čísel s pohyblivou rádovou čiarkou, ale zároveň uvoľňujú niektoré ďalšie vykonávacie jednotky atď.

Navyše takmer všetky programy majú veľa podmienených skokov a závislých premenných. Výsledkom je, že použitie technológie Hyper-threading môže poskytnúť výrazné zvýšenie výkonu maximalizáciou zaťaženia kernel pipeline.

Ale nie všetko je také jednoduché. Prirodzene, zvýšenie výkonu bude menšie ako pri použití niekoľkých fyzických jadier, keďže vlákna napokon používajú spoločné bloky toho istého potrubia a často musia čakať na uvoľnenie požadovaného bloku. Navyše väčšina procesorov už má niekoľko fyzických jadier a pri použití technológie Hyper-threading môže byť virtuálnych jadier príliš veľa, najmä ak procesor obsahuje štyri alebo viac fyzických jadier.

Keďže v súčasnosti existuje len veľmi málo programov schopných distribuovať výpočty na veľké množstvo jadier, v tomto prípade môže výsledok používateľov sklamať.

Existuje ďalší vážny problém technológie Hyper-Threading – ide o konflikty, ktoré vznikajú, keď inštrukcie z rôznych vlákien potrebujú bloky rovnakého typu. Môže nastať situácia, keď dve podobné vlákna budú fungovať paralelne, často s použitím rovnakých blokov. V tomto prípade bude nárast výkonu minimálny.

Výsledkom je, že technológia Hyper-Threading je veľmi závislá od typu zaťaženia procesora a môže poskytnúť dobré zvýšenie výkonu alebo môže byť prakticky zbytočná.

2.2.5. Technológia Turbo boost.

Výkon väčšiny moderných procesorov v domácich podmienkach možno mierne zvýšiť, zjednodušene povedané, pretaktovať – prinútiť pracovať na frekvenciách presahujúcich nominálne, t.j. deklarované výrobcom.

Frekvencia procesora sa vypočíta ako frekvencia systémovej zbernice vynásobená faktorom nazývaným multiplikátor. Napríklad procesor Core i7-970 pracuje so systémovou zbernicou DMI na základnej frekvencii - 133 MHz a má multiplikátor - 24. Takto bude taktovacia frekvencia jadra procesora: 133 MHz * 24 = 3192 MHz.

Ak zvýšite násobiteľ v nastaveniach systému BIOS alebo zvýšite frekvenciu hodín systémovej zbernice, frekvencia hodín procesora sa zvýši, a teda sa zvýši aj jeho výkon. Tento proces však nie je ani zďaleka bezpečný. V dôsledku pretaktovania sa procesor môže stať nestabilným alebo dokonca zlyhať. Preto treba k pretaktovaniu pristupovať zodpovedne a starostlivo kontrolovať parametre procesora.

S príchodom technológie Turbo Boost je všetko oveľa jednoduchšie. Procesory s touto technológiou dokážu samy dynamicky na krátky čas zvýšiť taktovaciu frekvenciu a tým zvýšiť svoj výkon. Procesor zároveň riadi všetky parametre svojej práce: napätie, prúd, teplotu atď., čím zabraňuje poruchám a navyše poruchám. Procesor môže napríklad vypnúť nepoužívané jadrá, čím zníži celkovú teplotu a na oplátku zvýši takt zostávajúcich jadier.

Keďže v súčasnosti nie je veľa programov, ktoré využívajú na spracovanie dát všetky jadrá procesora, najmä ak ich je viac ako štyri, použitie technológie Turbo Boost môže výrazne zvýšiť výkon procesora, najmä pri práci s jednovláknovými aplikáciami.

2.2.6. Účinnosť vykonávania príkazov.

V závislosti od typu spracovávaných inštrukcií a spôsobu ich vykonávania sa procesory delia do niekoľkých skupín:

• na klasických CISC procesoroch;
• na RISC procesoroch s redukovanou inštrukčnou sadou;
• na MISC procesoroch s minimálnou sadou inštrukcií;
• na procesoroch VLIW so sadou extra dlhých inštrukcií.

CISC (počítač so súborom komplexných inštrukcií) sú procesory s komplexným súborom inštrukcií. Architektúra CISC sa vyznačuje:

• zložité a mnohostranné pokyny;
• veľký súbor rôznych pokynov;
• nepevná dĺžka inštrukcie;
• rôzne režimy adresovania.

Historicky ako prvé sa objavili procesory CISC a ich vzhľad bol spôsobený všeobecným trendom vo vývoji prvých počítačov. Počítače sa snažili urobiť funkčnejšie a zároveň jednoduchšie programovateľné. Prirodzene, na začiatku bolo pre programátorov pohodlnejšie mať široký súbor inštrukcií, ako implementovať každú funkciu s celým samostatným podprogramom. V dôsledku toho sa výrazne znížil objem programov a tým aj zložitosť programovania.

Tento stav však netrval dlho. Po prvé, s príchodom vysokoúrovňových jazykov nebolo potrebné priame programovanie v strojových kódoch a v assembleri a po druhé, postupom času dramaticky narástol počet rôznych príkazov a samotné inštrukcie sa skomplikovali. Výsledkom je, že väčšina programátorov vo všeobecnosti používa konkrétnu sadu inštrukcií, prakticky ignorujúc zložitejšie inštrukcie.

V dôsledku toho programátori už nemali veľký úžitok zo širokej škály inštrukcií, pretože kompilácia programov sa stala automatickou a samotné procesory spracovávali zložité a rôznorodé inštrukcie pomaly, najmä kvôli problémom s ich dekódovaním.

Vývojári procesorov navyše nové zložité inštrukcie menej ladili, keďže išlo o časovo náročný a zložitý proces. V dôsledku toho môžu niektoré z nich obsahovať chyby.

A samozrejme, čím sú inštrukcie zložitejšie, tým viac akcií vykonávajú, tým ťažšie je paralelizovať ich vykonávanie, a teda tým menej efektívne zaťažujú procesorový kanál.

V tom čase však už bolo vyvinutých veľké množstvo programov pre procesory s architektúrou CISC, takže prechod na zásadne novú architektúru nebol ekonomicky rentabilný, čo by dokonca zvýšilo výkon procesora.

Preto bol prijatý kompromis a procesory CISC počnúc Intel486DX sa začali vyrábať s použitím jadra RISC. To znamená, že tesne pred vykonaním sú zložité inštrukcie CISC konvertované na jednoduchšiu sadu interných inštrukcií RISC. Na tento účel použite sady mikroinštrukcií zaznamenaných v pamäti ROM umiestnenej vo vnútri jadra procesora - sériu jednoduchých inštrukcií, ktoré spolu vykonávajú rovnaké akcie ako jedna komplexná inštrukcia.

RISC (počítač s redukovanou inštrukčnou sadou)- procesory s redukovaným súborom inštrukcií.

Koncept RISC procesorov uprednostňuje krátke, jednoduché a štandardizované inštrukcie. Výsledkom je, že takéto inštrukcie sa ľahšie dekódujú a vykonávajú, a preto sa návrh procesora stáva rovnako jednoduchým, pretože na vykonávanie neštandardných a multifunkčných pokynov nie sú potrebné zložité bloky. V dôsledku toho sa procesor stáva lacnejším a je možné ďalej zvyšovať jeho takt zjednodušením vnútornej štruktúry a znížením počtu tranzistorov alebo znížením spotreby energie.

Jednoduché inštrukcie RISC sa tiež dajú oveľa jednoduchšie paralelizovať ako inštrukcie CISC, a preto je možné viac zaťažiť potrubie, zaviesť ďalšie jednotky na spracovanie pokynov atď.

Procesory postavené na architektúre RISC majú tieto hlavné vlastnosti:

• pevná dĺžka inštrukcie;
• malý súbor štandardizovaných pokynov;
• veľké množstvo všeobecných registrov;
• nedostatok mikrokódu;
• nižšia spotreba energie v porovnaní s procesormi CISC podobného výkonu;
• jednoduchšia vnútorná štruktúra;
• menej tranzistorov v porovnaní s procesormi CISC podobného výkonu;
• absencia zložitých špecializovaných blokov v jadre procesora.

Výsledkom je, že hoci procesory RISC vyžadujú na dokončenie rovnakej úlohy viac inštrukcií ako procesory CISC, vo všeobecnosti fungujú lepšie. Po prvé, vykonanie jednej inštrukcie RISC trvá oveľa menej času ako vykonanie inštrukcie CISC. Po druhé, procesory RISC vo väčšej miere využívajú paralelnú prevádzku. Po tretie, procesory RISC môžu mať vyššiu rýchlosť hodín ako procesory CISC.

Napriek jasnej výhode RISC však procesory nedostali takú serióznu distribúciu ako CISC. Pravda, nie je to spôsobené najmä tým, že by mohli byť v niektorých ohľadoch horšie ako procesory CISC. Nie sú o nič horšie. Faktom je, že procesory CISC sa objavili ako prvé a softvér pre procesory CISC je nekompatibilný s procesormi RISC.

V dôsledku toho je mimoriadne neekonomické prepisovať všetky programy, ktoré už boli vyvinuté, odladené a používané obrovským množstvom používateľov. A tak sa stalo, že teraz sme nútení používať procesory CISC. Pravda, ako som už povedal, vývojári našli kompromisné riešenie tohto problému a už veľmi dlho v CISC procesoroch využívajú jadro RISC a nahradenie zložitých inštrukcií mikroprogramami. To umožnilo trochu upokojiť situáciu. Ale napriek tomu procesory RISC vo väčšine parametrov prekonávajú aj procesory CISC s jadrom RISC.

MISC (počítač s minimálnou inštrukciou)- ďalší rozvoj architektúry RISC, založený na ešte väčšom zjednodušení inštrukcií a znížení ich počtu. Takže v priemere MISC procesory používajú 20-30 jednoduchých inštrukcií. Tento prístup umožnil ešte viac zjednodušiť návrh procesora, znížiť spotrebu energie a maximalizovať využitie paralelného spracovania dát.

VLIW (veľmi dlhé slovo inštrukcie)- architektúra procesora, ktorá využíva dlhé inštrukcie obsahujúce niekoľko operácií naraz, kombinované kompilátorom na paralelné spracovanie. V niektorých implementáciách procesorov môžu byť inštrukcie dlhé až 128 alebo dokonca 256 bitov.

Architektúra VLIW je ďalším vylepšením architektúry RISC a MISC s hlbokým paralelizmom.

Ak sa v RISC procesoroch samotný procesor zaoberal organizáciou paralelného spracovania údajov, pričom časť zdrojov vynaložil na analýzu inštrukcií, identifikáciu závislostí a predpovedanie podmienených skokov (navyše, procesor by sa často mohol dopustiť chýb, napríklad pri predpovedaní podmienených skokov). , čím došlo k závažným oneskoreniam pri spracovávaní inštrukcií alebo k prezeraniu programového kódu v nedostatočnej hĺbke na identifikáciu nezávislých operácií, ktoré by mohli byť vykonávané paralelne), potom v procesoroch VLIW bola úloha optimalizovať paralelnú prácu zverená kompilátoru, ktorý nebol obmedzený. buď v čase alebo v zdrojoch a mohli analyzovať celý program na zostavenie kódu, ktorý je optimálny pre procesor.

Výsledkom bolo, že procesor VLIW profitoval nielen z odstránenia réžie organizácie paralelného spracovania údajov, ale získal aj zvýšenie výkonu vďaka optimálnejšej organizácii paralelného vykonávania pokynov.

Okrem toho sa zjednodušil dizajn procesora, pretože niektoré bloky zodpovedné za analýzu závislostí a organizáciu paralelizácie spracovania inštrukcií boli zjednodušené alebo úplne odstránené, čo zase viedlo k zníženiu spotreby energie a nákladov na procesory.

S rozborom kódu a organizáciou jeho paralelizácie sa však ťažko vyrovnáva aj kompilátor. Programový kód bol často vysoko vzájomne závislý a v dôsledku toho musel kompilátor do inštrukcií vkladať prázdne príkazy. Z tohto dôvodu môžu byť programy pre procesory VLIW oveľa dlhšie ako programy pre tradičné architektúry.

Prvé procesory VLIW sa objavili koncom osemdesiatych rokov a boli vyvinuté spoločnosťou Cydrome. Medzi procesory s touto architektúrou patria aj procesory TriMedia od Philips, rodina DSP C6000 od Texas Instruments, Elbru, od roku 2000, je procesor ruskej výroby vyvinutý spoločnosťou MCST za účasti študentov Moskovského inštitútu fyziky a technológie atď. Podpora dlhých inštrukcií s explicitným paralelizmom je aj v procesoroch rodiny Itanium.

2.3. Spôsoby, ako znížiť spotrebu energie procesora.

Nie menej ako výkon je pre procesor dôležitý aj taký parameter, akým je spotreba energie. Otázka spotreby energie je obzvlášť aktuálna v súčasnosti, keď je skutočný boom obľúbenosti prenosných zariadení.

Náš život si už nevieme pohodlne predstaviť bez používania notebookov, tabletov a smartfónov. Jediné, čo však tento trend zatieňuje, je výdrž batérie takýchto zariadení. Notebooky teda v priemere dokážu pracovať autonómne 3-5 hodín, tablety - o niečo viac, smartfóny už vydržia pri plnom zaťažení takmer deň, a to nie je všetko. To všetko je ale extrémne malé na pohodlnú prácu s nimi.

Výdrž batérie týchto zariadení priamo súvisí s ich spotrebou energie a veľkú časť spotreby energie tvorí procesor. Na zníženie spotreby energie procesorov sa používajú rôzne metódy a technológie. Pozrime sa na najobľúbenejšie z nich.

Najjednoduchší spôsob, ako znížiť spotrebu energie a rozptyl tepla procesora, je znížiť jeho frekvenciu hodín a napätie, pretože spotreba energie procesora je úmerná druhej mocnine jeho prevádzkového napätia a úmerná frekvencii hodín. Najpriaznivejším vplyvom na spotrebu energie je zníženie napätia. Pri poklese napätia sa však skôr či neskôr zníži aj taktovacia frekvencia, čo zákonite povedie k poklesu výkonu.

Spotreba energie je však často kritickejším parametrom výkonu a určité zníženie výkonu je prijateľné. Napríklad väčšina mobilných a vstavaných procesorov má rýchlosť hodín a prevádzkové napätie oveľa nižšie ako ich desktopové náprotivky.

Výrobcovia ale nie vždy nastavia optimálnu kombináciu napätia a taktovacej frekvencie. Mnohé mobilné procesory s nastaveným taktom by mohli pracovať pri nižšom napätí, čo by výrazne predĺžilo výdrž batérie prenosného počítača.

Pre získanie optimálneho pomeru výkonu k spotrebe je potrebné zvoliť napätie, pri ktorom bude procesor pri danej taktovacej frekvencii stabilne pracovať.

Frekvencia hodín je určená na základe potrieb užívateľa, následne sa pre ňu volí minimálne prevádzkové napätie postupným znižovaním napätia a testovaním procesora pri zaťažení.

Neexistujú ani také zásadné spôsoby riešenia tohto problému.

Napríklad technológia EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology) umožňuje dynamicky meniť spotrebu energie procesora, zmenou taktovacej frekvencie a napätia procesora. K zmene frekvencie hodín dochádza v dôsledku zníženia alebo zvýšenia multiplikačného faktora.

Násobiaci faktor som už spomenul vyššie, ale budem sa opakovať. Rýchlosť hodín procesora sa vypočítava ako rýchlosť hodín systémovej zbernice vynásobená faktorom nazývaným multiplikátor. Zníženie alebo zvýšenie tohto pomeru vedie k zníženiu alebo zvýšeniu taktovacej frekvencie procesora a k zníženiu alebo zvýšeniu prevádzkového napätia.

V prípadoch, keď nie je procesor plne vyťažený, je možné znížiť jeho takt znížením multiplikátora. Akonáhle používateľ potrebuje viac výpočtových zdrojov, multiplikátor sa zvýši až na jeho nominálnu hodnotu. Takto je možné trochu znížiť spotrebu energie.

Podobnú technológiu na zníženie spotreby energie, založenú na dynamickej zmene napätia a taktovacej frekvencie v závislosti od zaťaženia procesora, používa aj AMD, tzv. Cool'n'Quiet.

V drvivej väčšine prípadov sú počítače buď úplne nečinné, alebo sú využívané len na zlomok svojich možností. Napríklad sledovanie filmu alebo písanie si nevyžaduje obrovské výpočtové možnosti, ktorými disponujú moderné procesory. Tieto kapacity navyše nie sú potrebné ani vtedy, keď je počítač nečinný, keď sa používateľ vzdialil alebo sa jednoducho rozhodol urobiť si krátku prestávku. Znížením taktovacej frekvencie procesora a jeho napätia v takýchto chvíľach môžete dosiahnuť veľmi vážne zvýšenie úspor energie.

EIST je možné nakonfigurovať pomocou systému BIOS a softvéru operačného systému na nastavenie profilov správy napájania požadovaných pre konkrétnu aplikáciu, čím sa vyrovná výkon procesora a spotreba energie.

Prirodzene, vývojári sa snažia optimalizovať samotnú štruktúru procesora, aby sa znížila spotreba energie a schopnosť procesora pracovať pri ultranízkom napätí. Táto úloha je však mimoriadne zložitá a časovo náročná. Prototypy procesorov sa už takmer priblížili k prahu minimálneho prevádzkového napätia a už teraz majú problém rozlíšiť napätie logickej jednotky od logickej nuly. Vývojári procesorov, vrátane inžinierov Intelu, však napriek tomu sľubujú, že v priebehu nasledujúcich desiatich rokov znížia spotrebu energie moderných procesorov až 100-krát. Nuž, počkáme si, čo vymyslia.

3. CACHE pamäť.

Napriek všetkým technológiám a trikom vývojárov výkon procesora stále priamo závisí od rýchlosti načítavania pokynov a dát z pamäte. A aj keď má procesor vyvážené a premyslené potrubie, používa technológiu Hyper-Threading atď., Ale neposkytuje správnu rýchlosť na načítanie údajov a príkazov z pamäte, v dôsledku toho sa celkový výkon počítača zníži nespĺňajú vaše očakávania.

Preto je jedným z najdôležitejších parametrov procesorového zariadenia vyrovnávacia pamäť, ktorá je navrhnutá tak, aby skrátila čas na získanie príkazov a údajov z hlavnej pamäte RAM a pôsobí ako medziľahlá vyrovnávacia pamäť s rýchlym prístupom medzi procesorom a hlavnou pamäťou RAM.

Cache pamäť je postavená na báze drahej pamäte SRAM (statická pamäť s náhodným prístupom), ktorá poskytuje prístup k pamäťovým bunkám oveľa rýchlejšie ako k pamäťovým bunkám DRAM (dynamická pamäť s náhodným prístupom), na základe ktorej je RAM postavená. Pamäť SRAM navyše nevyžaduje neustálu regeneráciu, čo tiež zvyšuje jej výkon. V nasledujúcom článku sa však budeme podrobnejšie zaoberať zariadením SRAM, DRAM a inými typmi pamätí a teraz sa bližšie pozrieme na princíp činnosti a vyrovnávaciu pamäť.

Cache pamäť je rozdelená do niekoľkých úrovní. V moderných procesoroch sú zvyčajne tri úrovne a v niektorých špičkových modeloch procesorov sú niekedy štyri úrovne vyrovnávacej pamäte.

Vyrovnávacia pamäť vyššej úrovne je vždy väčšia a pomalšia ako vyrovnávacia pamäť nižšej úrovne.

Najrýchlejšia a najmenšia vyrovnávacia pamäť je vyrovnávacia pamäť prvej úrovne. Zvyčajne beží na frekvencii procesora, má objem niekoľko stoviek kilobajtov a nachádza sa v bezprostrednej blízkosti blokov na načítanie dát a inštrukcií. Zároveň môže byť jednoduchá (architektúra Princeton) alebo rozdelená na dve časti (architektúra Harvard): pamäť inštrukcií a pamäť údajov. Väčšina moderných procesorov používa zdieľanú vyrovnávaciu pamäť L1, pretože to umožňuje načítanie údajov súčasne s načítavaním inštrukcií, čo je mimoriadne dôležité pre fungovanie potrubia.

Vyrovnávacia pamäť druhej úrovne je pomalšia (čas prístupu v priemere 8-20 cyklov procesora), ale má objem niekoľko megabajtov.

L3 cache je ešte pomalšia, no pomerne veľká. Existujú procesory s vyrovnávacou pamäťou tretej úrovne väčšou ako 24 MB.

Vo viacjadrových procesoroch je zvyčajne posledná úroveň vyrovnávacej pamäte zdieľaná medzi všetkými jadrami. Okrem toho sa v závislosti od zaťaženia jadier môže dynamicky meniť množstvo vyrovnávacej pamäte poslednej úrovne pridelenej jadru. Ak je jadro výrazne zaťažené, potom sa mu pridelí viac vyrovnávacej pamäte znížením množstva vyrovnávacej pamäte pre menej zaťažené jadrá. Nie všetky procesory majú túto schopnosť, iba tie, ktoré podporujú technológiu Smart Cache (napríklad Intel Smart Cache alebo AMD Balanced Smart Cache).

Pamäť vyrovnávacej pamäte nižšej úrovne – zvyčajne individuálna pre každé jadro procesora.

Pozreli sme sa na to, ako funguje vyrovnávacia pamäť, teraz poďme zistiť, ako to funguje.

Procesor načítava údaje z hlavnej pamäte RAM a ukladá ich do vyrovnávacej pamäte všetkých úrovní, čím nahrádza údaje, ku ktorým sa pristupovalo dlho a zriedkavo.

Keď bude procesor nabudúce potrebovať rovnaké dáta, nebudú sa čítať z hlavnej pamäte RAM, ale z vyrovnávacej pamäte prvej úrovne, čo je oveľa rýchlejšie. Ak procesor k týmto údajom dlhší čas nepristupuje, budú postupne vytlačené zo všetkých úrovní vyrovnávacej pamäte, najskôr z prvej, keďže je objemovo najmenšia, potom z druhej atď. Ale aj keď tieto údaje zostanú iba v tretej úrovni vyrovnávacej pamäte, stále bude rýchlejší prístup k nim ako do hlavnej pamäte.

Čím viac úrovní vyrovnávacej pamäte, tým zložitejší je algoritmus na nahradenie zastaraných údajov a tým viac času sa strávi zosúlaďovaním údajov na všetkých úrovniach vyrovnávacej pamäte. Výsledkom je, že zisk z rýchlosti vyrovnávacej pamäte rýchlo zmizne. Okrem toho je pamäť SRAM veľmi drahá a pri veľkých objemoch, a ako si pamätáte, každá nová úroveň vyrovnávacej pamäte musí byť väčšia ako predchádzajúca, pomer ceny a kvality rýchlo klesá, čo má mimoriadne negatívny vplyv na konkurencieschopnosť spracovateľa. Preto sa v praxi nevyrábajú viac ako štyri úrovne vyrovnávacej pamäte.

Situácia s vyrovnávacou pamäťou sa ďalej komplikuje pri viacjadrových procesoroch, z ktorých každé jadro obsahuje vlastnú vyrovnávaciu pamäť. Je potrebné zaviesť dodatočnú synchronizáciu dát uložených vo vyrovnávacej pamäti rôznych jadier. Napríklad do vyrovnávacej pamäte prvého a druhého jadra procesora bol vložený rovnaký dátový blok hlavnej pamäte RAM. Potom prvý procesor zmenil tento blok pamäte. Ukazuje sa, že vyrovnávacia pamäť druhého procesora obsahuje zastarané údaje a je potrebné ju aktualizovať, a to je dodatočné zaťaženie vyrovnávacej pamäte, čo vedie k zníženiu celkového výkonu procesora. Táto situácia je tým ťažšia, čím viac jadier v procesore, tým viac úrovní vyrovnávacej pamäte a tým väčšia je ich veľkosť.

Napriek takýmto ťažkostiam pri práci s vyrovnávacou pamäťou však jej použitie výrazne zvyšuje rýchlosť práce bez výrazného zvýšenia nákladov na počítač. A kým sa nevynájde RAM, ktorá dokáže konkurovať pamäti SRAM rýchlosťou a pamäťou DRAM cenou, bude sa používať hierarchická organizácia RAM využívajúca niekoľko úrovní vyrovnávacej pamäte.

Toto je možno koniec prehľadu procesorového zariadenia, pretože prehľad systémových zberníc a princíp ich fungovania bol uvedený v článku „Dizajn a účel základnej dosky“ a popis ovládača hlavného RAM, často zahrnutá v procesore, typy pamäte RAM a princípy jej fungovania budú v nasledujúcom článku.

(alebo centrálna procesorová jednotka, CPU) je hlavnou súčasťou každého počítača. Je to procesor, ktorý je zodpovedný za vykonávanie programového kódu, takže čím je procesor rýchlejší, tým rýchlejšie sú dokončené úlohy priradené počítaču.

• Počet výpočtových jadier. Počet spracovateľských jadier určuje počet úloh, ktoré môže procesor vykonávať paralelne. Stolové procesory v súčasnosti používajú 1, 2, 4, 6 a 8 jadrové procesory. Pri výbere procesora je potrebné zvoliť počet jadier pre konkrétne úlohy, ktoré sa budú na počítači vykonávať. Napríklad na prácu s jednoduchými aplikáciami alebo používanie internetu stačí 2-jadrový procesor a na používanie profesionálnych grafických programov alebo spustenie náročných hier potrebujete 4- alebo 6-jadrový procesor. Niektoré procesory od Intelu navyše dokážu vytvoriť 2 virtuálne jadrá pre každé reálne výpočtové jadro (technológia Hyper-threading). Vďaka tomuto triku je možné efektívnejšie zaťažiť jadro prácou, čo znamená zvýšiť výkon výpočtových jadier.
• Frekvencia hodín. Toto je počet operácií vykonaných za jednu sekundu. Táto hodnota sa meria v megahertzoch (MHz). Čím vyššia je frekvencia hodín, tým vyšší je výkon každého jednotlivého výpočtového jadra.
• Bitová hĺbka. Tento parameter ovplyvňuje schopnosť procesora vykonávať 32-bitové alebo 64-bitové programy. Bitová hĺbka ovplyvňuje aj dostupné množstvo pamäte RAM, ktorá je obmedzená na 4 GB v 32-bitových systémoch a 16 GB v 64-bitových systémoch.
• Veľkosť vyrovnávacej pamäte. Vyrovnávaciu pamäť používa procesor na ukladanie údajov, ktoré pravidelne používa. Vďaka vyrovnávacej pamäti potrebuje procesor menej často pristupovať k RAM, čo je oveľa pomalšie.
• Technologický proces. Procesná technológia je veľkosť tranzistorov v procesore. Čím menšia je procesná technológia, tým nižšia je spotreba energie procesora, ako aj jeho odvod tepla. Okrem toho, redukcia procesnej technológie umožňuje umiestniť viac tranzistorov na rovnakú oblasť matrice, čo znamená zvýšenie výkonu procesora.
• Odvod tepla CPU (TDP). Tento parameter udáva, koľko tepla by mal chladiaci systém odobrať z procesora.
• Integrovaný GPU. Zvyčajne je integrovaný do základnej dosky počítača alebo do CPU. S integrovanou grafikou si môžete zostaviť počítač bez samostatných kariet grafického adaptéra, čím sa výrazne znížia systémové náklady a spotreba energie.
• Zásuvka (Zásuvka) . Ide o špeciálnu zásuvku na základnej doske, v ktorej je nainštalovaný procesor. Ak sa zásuvka procesora a základná doska nezhodujú, procesor nemožno nainštalovať.

Ako vyzerá PC procesor?

Významní výrobcovia PC procesorov

V súčasnosti sú najväčšími výrobcami CPU Intel a AMD.

Lídrom v tejto dvojici je nepochybne Intel. Procesory od Intelu sa vyznačujú vyšším výkonom na jadro a nižším odvodom tepla, no zároveň je ich cena oveľa vyššia. A to nie je vždy opodstatnené - napríklad pri montáži lacných počítačov.

Procesory AMD sú cenovo dostupné, ale niektoré modely majú tendenciu generovať nadmerné teplo. Ale aj napriek tomu, že procesory tohto výrobcu sú technologicky pozadu a nie vždy kvalitné, sú stále veľmi obľúbené.

Procesor je bezpochyby hlavnou súčasťou každého počítača. Práve tento malý kúsok kremíka s veľkosťou niekoľkých desiatok milimetrov plní všetky zložité úlohy, ktoré si nastavíte pre svoj počítač. Tu beží operačný systém, ako aj všetky programy. Ale ako to celé funguje? Túto otázku sa pokúsime rozobrať v našom dnešnom článku.

Procesor spravuje údaje vo vašom počítači a vykonáva milióny pokynov za sekundu. A slovom procesor mám na mysli presne to, čo v skutočnosti znamená – malý kremíkový čip, ktorý v skutočnosti vykonáva všetky operácie na počítači. Predtým, ako pristúpite k úvahám o tom, ako procesor funguje, musíte najprv podrobne zvážiť, čo to je a z čoho pozostáva.

Najprv sa pozrime, čo je to procesor. CPU alebo centrálna procesorová jednotka (centrálna procesorová jednotka) - čo je mikroobvod s veľkým počtom tranzistorov vyrobený na kremíkovom kryštáli. Prvý procesor na svete vyvinula spoločnosť Intel Corporation v roku 1971. Všetko to začalo modelom Intel 4004. Dokázal vykonávať iba výpočtové operácie a dokázal spracovať len 4 bajty dát. Ďalší model vyšiel v roku 1974 – Intel 8080 a už dokázal spracovať 8 bitov informácií. Potom tu boli 80286, 80386, 80486. Práve z týchto procesorov pochádza aj názov architektúry.

Frekvencia hodín procesora 8088 bola 5 MHz a počet operácií za sekundu bol iba 330 000, čo je oveľa menej ako v moderných procesoroch. Moderné zariadenia majú frekvenciu až 10 GHz a niekoľko miliónov operácií za sekundu.

Nebudeme uvažovať o tranzistoroch, prejdeme na vyššiu úroveň. Každý procesor sa skladá z nasledujúcich komponentov:

• Jadro- tu sa vykonáva všetko spracovanie informácií a matematické operácie, môže existovať niekoľko jadier;
• Príkazový dekodér- tento komponent patrí k jadru, prevádza softvérové ​​príkazy na sadu signálov, ktoré budú vykonávané jadrovými tranzistormi;
• Cache- oblasť ultrarýchlej pamäte, malý objem, v ktorom sú uložené dáta načítané z RAM;
• Registre- Ide o veľmi rýchle pamäťové bunky, v ktorých sú uložené aktuálne spracovávané dáta. Je ich len pár a majú obmedzenú veľkosť - 8, 16 alebo 32 bitov, od toho závisí bitová hĺbka procesora;
• koprocesor- samostatné jadro, ktoré je optimalizované len pre určité operácie, ako je spracovanie videa alebo šifrovanie dát;
• adresná zbernica- pre komunikáciu so všetkými zariadeniami pripojenými k základnej doske môže mať šírku 8, 16 alebo 32 bitov;
• Dátová zbernica- na komunikáciu s operačnou pamäťou. Pomocou neho môže procesor zapisovať dáta do pamäte alebo ich odtiaľ čítať. Pamäťová zbernica môže mať 8, 16 a 32 bitov, to je množstvo dát, ktoré je možné preniesť naraz;
• Synchronizačná zbernica- umožňuje ovládať frekvenciu procesora a taktovacie cykly;
• Reštartujte autobus- resetovať stav procesora;

Za hlavnú zložku možno považovať jadro alebo výpočtovo-aritmetickú jednotku, ako aj registre procesora. Všetko ostatné pomáha týmto dvom komponentom fungovať. Pozrime sa, čo sú registre a aký je ich účel.

• Registre A, B, C- určené na ukladanie údajov počas spracovania, áno, sú len tri, ale to je celkom dosť;
• EIP- obsahuje adresu nasledujúcej programovej inštrukcie v RAM;
• ESP- adresa údajov v RAM;
• Z- obsahuje výsledok poslednej porovnávacej operácie;

Nie sú to samozrejme všetky pamäťové registre, no tieto sú najdôležitejšie a najviac ich využíva procesor pri vykonávaní programu. Teraz, keď viete, z čoho pozostáva procesor, môžete zvážiť, ako funguje.

Ako funguje počítačový procesor?

Spracovateľské jadro procesora dokáže vykonávať iba matematické operácie, porovnávacie operácie a presúvať dáta medzi bunkami a RAM, no na hranie hier, sledovanie filmov, surfovanie na webe a mnoho iného vám to postačí.

V skutočnosti každý program pozostáva z takýchto príkazov: presun, sčítanie, násobenie, delenie, rozdiel a prechod na inštrukciu, ak je splnená podmienka porovnania. Samozrejme, nie sú to všetky príkazy, existujú aj iné, ktoré kombinujú už uvedené alebo zjednodušujú ich používanie.

Všetky pohyby dát sú vykonávané pomocou inštrukcie move (mov), táto inštrukcia presúva dáta medzi bunkami registra, medzi registrami a RAM, medzi pamäťou a pevným diskom. Existujú špeciálne pokyny pre aritmetické operácie. A inštrukcie skoku sú potrebné na splnenie podmienok, napríklad skontrolujte hodnotu registra A a ak sa nerovná nule, prejdite na inštrukciu na požadovanej adrese. Môžete tiež vytvárať slučky pomocou pokynov na skok.

To všetko je veľmi dobré, ale ako sa všetky tieto komponenty navzájom ovplyvňujú? A ako tranzistory rozumejú pokynom? Činnosť celého procesora riadi inštrukčný dekodér. Núti každú zložku robiť to, čo robiť má. Pozrime sa, čo sa stane, keď je potrebné vykonať program.

V prvej fáze dekodér načíta adresu prvej inštrukcie programu v pamäti do registra ďalšej inštrukcie EIP, čím aktivuje čítací kanál a otvorí blokovací tranzistor, aby vložil údaje do registra EIP.

V druhom hodinovom cykle inštrukčný dekodér prevedie inštrukciu na sadu signálov pre tranzistory výpočtového jadra, ktoré ju vykonajú a výsledok zapíšu do jedného z registrov, napríklad C.

V treťom cykle dekodér zvýši adresu nasledujúcej inštrukcie o jednu, takže ukazuje na ďalšiu inštrukciu v pamäti. Ďalej dekodér pokračuje v načítaní ďalšieho príkazu a tak ďalej až do konca programu.

Každá inštrukcia je už zakódovaná sekvenciou tranzistorov a prevedená na signály spôsobuje fyzikálne zmeny v procesore, napríklad zmenu polohy západky, ktorá umožňuje zapisovať dáta do pamäťovej bunky atď. Vykonanie rôznych príkazov si vyžaduje rôzny počet cyklov, napríklad jeden príkaz môže trvať 5 cyklov a iný, zložitejší, až 20. To všetko však stále závisí od počtu tranzistorov v samotnom procesore .

S tým je všetko jasné, ale všetko bude fungovať, iba ak bude spustený jeden program a ak ich bude niekoľko a všetky súčasne. Dá sa predpokladať, že procesor má niekoľko jadier a na každom jadre sa potom vykonáva samostatný program. Ale nie, v skutočnosti neexistujú žiadne takéto obmedzenia.

Naraz môže byť spustený iba jeden program. Celý čas procesora sa rozdelí medzi všetky spustené programy, každý program sa vykoná niekoľko cyklov, potom sa procesor prenesie do iného programu a celý obsah registrov sa uloží do pamäte RAM. Keď sa riadenie vráti do tohto programu, predtým uložené hodnoty sa načítajú do registrov.

závery

To je všetko, v tomto článku sme sa pozreli na to, ako počítačový procesor funguje, čo je procesor a z čoho pozostáva. Môže to byť trochu komplikované, ale veci sme pokryli jednoduchšie. Dúfam, že teraz máte jasnejšie pochopenie toho, ako toto veľmi zložité zariadenie funguje.

Na konci videa o histórii tvorby procesorov:

Pravdepodobne ste si pri výbere počítača a štúdiu jeho vlastností všimli, že taká položka, ako je procesor, má veľký význam. Prečo jemu, a nie modelu, napájaciemu zdroju, či? Áno, aj to sú dôležité súčasti systému a veľa závisí aj od ich správneho výberu, avšak vlastnosti CPU priamo a vo väčšej miere ovplyvňujú rýchlosť a výkon PC. Poďme analyzovať význam tohto zariadenia v počítači.

A začnime odstránením procesora zo systémovej jednotky. V dôsledku toho počítač nebude fungovať. Už chápete, akú úlohu hrá? Poďme si však túto problematiku preštudovať podrobnejšie a zistiť, čo je to počítačový procesor.

Čo je počítačový procesor

Celá pointa je v tom, že centrálna procesorová jednotka (jej celý názov) je, ako sa hovorí, skutočným srdcom a zároveň mozgom počítača. Kým funguje, fungujú aj všetky ostatné súčasti systémovej jednotky a k nej pripojené periférie. Je zodpovedný za spracovanie rôznych dátových tokov a tiež reguluje činnosť častí systému.

Technickejšiu definíciu možno nájsť na Wikipédii:

CPU - elektronická jednotka alebo integrovaný obvod (mikroprocesor), ktorý vykonáva strojové inštrukcie (programový kód), hlavná časť hardvéru počítača alebo programovateľného logického ovládača.

V živote vyzerá CPU ako malá štvorcová doska veľkosti škatuľky od zápaliek s hrúbkou niekoľkých milimetrov, ktorej horná časť je zvyčajne pokrytá kovovým krytom (v stolných verziách) a na spodnej strane je veľa kontaktov. V skutočnosti, aby ste sa neukrižovali, pozrite sa na nasledujúce fotografie:

Bez príkazu zadaného procesorom nie je možné vykonať ani takú jednoduchú operáciu, akou je sčítanie dvoch čísel alebo zápis jedného megabajtu informácie. To všetko si vyžaduje okamžitý apel na CPU. Čo sa týka zložitejších úloh, ako je spustenie hry, alebo spracovanie videa.

K vyššie uvedeným slovám stojí za to dodať, že procesory môžu vykonávať aj funkcie grafickej karty. Faktom je, že v moderných čipoch je miesto pre ovládač videa, ktorý vykonáva všetky potrebné funkcie a ako používa video pamäť. Nemali by ste si myslieť, že integrované grafické jadrá sú schopné konkurovať grafickým kartám aspoň strednej triedy, ide skôr o možnosť pre kancelárske stroje, kde výkonná grafika nie je potrebná, no stále ťahá niečo slabé. Hlavnou výhodou integrovanej grafiky je cena - koniec koncov, nemusíte kupovať samostatnú grafickú kartu, čo je významná úspora.

Ako funguje procesor

V predchádzajúcom odseku bolo rozobraté, čo je procesor a prečo je potrebný. Je čas pozrieť sa, ako to funguje.

Činnosť CPU môže byť reprezentovaná sekvenciou nasledujúcich udalostí:

• Z pamäte RAM, kde je načítaný určitý program (povedzme textový editor), riadiaca jednotka procesora získava potrebné informácie a tiež súbor príkazov, ktoré je potrebné vykonať. Toto všetko ide do vyrovnávacia pamäť (vyrovnávacia pamäť) CPU;
• Informácie opúšťajúce vyrovnávaciu pamäť sú rozdelené do dvoch typov: pokyny a hodnoty , ktoré sa posielajú do registrov (sú to také pamäťové bunky v procesore). Prvý prejde do inštrukčných registrov a druhý do dátových registrov;
• Spracúvajú sa informácie z registrov aritmeticko logická jednotka (časť CPU, ktorá vykonáva aritmetické a logické transformácie prichádzajúcich údajov), ktorá z nich načíta informácie a na výsledných číslach potom vykoná potrebné príkazy;
• Získané výsledky rozdelené do dokončené a nedokončené , prejdite do registrov, odkiaľ je prvá skupina odoslaná do vyrovnávacej pamäte CPU;
• Začnime tento odsek tým, že existujú dve hlavné úrovne vyrovnávacej pamäte: horný a nižšie . Najnovšie prijaté príkazy a údaje potrebné na vykonanie výpočtov sa odosielajú do vyrovnávacej pamäte vyššej úrovne, zatiaľ čo nepoužité sa odosielajú do vyrovnávacej pamäte nižšej úrovne. Tento proces prebieha nasledovne – všetky informácie prechádzajú z tretej úrovne vyrovnávacej pamäte do druhej, a potom sa dostanú do prvej, pričom údaje, ktoré momentálne nie sú potrebné, sa odošlú na nižšiu úroveň, všetko je naopak;
• Na konci výpočtového cyklu sa konečný výsledok zapíše do pamäte RAM systému, aby sa uvoľnilo miesto vo vyrovnávacej pamäti CPU pre nové operácie. Ale môže sa stať, že vyrovnávacia pamäť je plná, potom nepoužité dáta pôjdu do RAM, alebo do nižšej úrovne cache.

Krok za krokom vyššie uvedených akcií je prevádzkový tok procesora a odpoveď na otázku - ako procesor funguje.

Typy procesorov a ich hlavní výrobcovia

Existuje mnoho typov procesorov od slabých jednojadrových až po výkonné viacjadrové. Od herných a pracovných až po priemer vo všetkých ohľadoch. Existujú však dva hlavné tábory CPU - AMD a slávny Intel. Toto sú dve spoločnosti, ktoré vyrábajú najžiadanejšie a najpopulárnejšie mikroprocesory na trhu. Hlavným rozdielom medzi produktmi AMD a Intel nie je počet jadier, ale architektúra – vnútorná štruktúra. Každý z konkurentov ponúka vlastnú štruktúru „vnútri“, vlastný typ procesora, ktorý sa radikálne líši od konkurencie.

Produkty každej zo strán majú svoje klady a zápory, navrhujem, aby ste sa s nimi v krátkosti oboznámili.

Výhody procesorov Intel:

• Má nižšiu spotrebu energie;
• Vývojári sa viac zameriavajú na Intel ako na AMD;
• Lepší výkon v hrách;
• Spojenie procesorov Intel s RAM je implementované lepšie ako u AMD;
• Operácie vykonávané v rámci iba jedného programu (napríklad rozbalenie) idú lepšie, v tomto smere hrá AMD.

Nevýhody procesorov Intel:

• Najväčšou nevýhodou je cena. CPU od daného výrobcu je často rádovo vyššie ako u ich hlavného konkurenta;
• Výkon klesá pri použití dvoch alebo viacerých „ťažkých“ programov;
• Integrované grafické jadrá sú horšie ako AMD;

Výhody procesorov AMD:

• Najväčšie plus – najväčšie mínus Intelu – cena. Môžete si kúpiť dobrý stredný procesor od AMD, ktorý bude mať solídnu 4, alebo možno aj 5, na ťahanie moderných hier, pričom bude stáť oveľa lacnejšie ako podobný procesor od konkurencie;
• Primeraný pomer kvality a ceny;
• Zabezpečiť kvalitu systému;
• Schopnosť pretaktovať procesor, čím sa zvýši jeho výkon o 10-20%;
• Integrované grafické jadrá prekonávajú Intel.

Nevýhody procesorov AMD:

• Procesory od AMD horšie spolupracujú s RAM;
• Vyššia spotreba energie ako Intel;
• Prevádzka vyrovnávacej pamäte na druhej a tretej úrovni je na nižšej frekvencii;
• Herný výkon zaostáva za konkurentmi;

Ale napriek vyššie uvedeným výhodám a nevýhodám sa každá zo spoločností naďalej vyvíja, ich procesory sú s každou generáciou výkonnejšie a chyby predchádzajúcej línie sa zohľadňujú a opravujú.

Hlavné vlastnosti procesorov

Preskúmali sme, čo je počítačový procesor, ako funguje. Zoznámili sme sa s tým, aké sú ich dva hlavné typy, je čas venovať pozornosť ich vlastnostiam.

Na začiatok si ich teda vymenujeme: značka, séria, architektúra, podpora konkrétneho socketu, taktovanie procesora, vyrovnávacia pamäť, počet jadier, spotreba a odvod tepla, integrovaná grafika. Teraz sa pozrime na vysvetlenie:

• Značka - kto vyrába procesor: AMD alebo Intel. Od tohto výberu závisí nielen obstarávacia cena a výkon, ako by sa dalo predpokladať z predchádzajúcej časti, ale aj výber ďalších komponentov PC, najmä základnej dosky. Keďže procesory od AMD a Intel majú odlišný dizajn a architektúru, nebude možné osadiť druhý do socketu (zásuvky pre inštaláciu procesora na základnej doske) určenej pre jeden typ procesora;
• Séria - obaja konkurenti delia svoje produkty do mnohých typov a poddruhov. (AMD - Ryzen, FX, Intel-i5, i7);
• Architektúra procesora - v skutočnosti vnútorné orgány CPU, každý typ procesora má individuálnu architektúru. Jeden druh možno zase rozdeliť na niekoľko poddruhov;
• Podpora konkrétnej pätice je veľmi dôležitou vlastnosťou procesora, keďže pätica samotná je „zásuvkou“ na základnej doske pre pripojenie procesora a každý typ procesora vyžaduje zodpovedajúcu päticu. V skutočnosti to bolo spomenuté vyššie. Buď musíte presne vedieť, ktorá zásuvka sa nachádza na vašej základnej doske a vybrať pre ňu procesor, alebo naopak (čo je správnejšie);
• Rýchlosť hodín je jedným z významných ukazovateľov výkonu procesora. Odpovedzme si na otázku, aká je taktovacia frekvencia procesora. Odpoveď bude pre tento impozantný pojem jednoduchá - objem operácií vykonaných za jednotku času, meraný v megahertzoch (MHz);
• Cache – pamäť inštalovaná priamo v procesore, nazýva sa aj vyrovnávacia pamäť, má dve úrovne – hornú a dolnú. Prvý prijíma aktívne informácie, druhý - momentálne nevyužitý. Proces získavania informácií prechádza z tretej úrovne do druhej a potom do prvej, nepotrebné informácie sa dostanú späť;
• Počet jadier - v CPU môže byť od jedného do niekoľkých. V závislosti od čísla sa procesor bude nazývať dvojjadrový, štvorjadrový atď. Výkon bude teda závisieť od ich počtu;
• Spotreba energie a odvod tepla. Všetko je tu jednoduché - čím vyššiu energiu procesor „žerie“, tým viac tepla uvoľní, venujte pozornosť tejto položke, aby ste vybrali vhodný chladiaci chladič a napájanie.
• Integrovaná grafika – AMD prvýkrát takýto vývoj zaznamenala v roku 2006, Intel od roku 2010. Prvé z nich vykazujú lepšie výsledky ako konkurenti. Žiadna z nich však ešte nebola schopná dosiahnuť vlajkovú loď grafických kariet.

závery

Ako ste už pochopili, centrálna procesorová jednotka počítača hrá v systéme kľúčovú úlohu. V dnešnom článku sme si rozobrali, čo je to počítačový procesor, aká je frekvencia procesora, aké sú a na čo slúžia. Ako veľmi sa niektoré CPU líšia od iných, aké sú typy procesorov. Rozprávali sme sa o výhodách a nevýhodách produktov dvoch konkurenčných kampaní. Ale s akou charakteristikou bude procesor vo vašej systémovej jednotke, je len na vás.

Takmer každý vie, že v počítači je hlavným prvkom všetkých „železných“ komponentov centrálna procesorová jednotka. Ale okruh ľudí, ktorí si predstavia fungovanie procesora, je veľmi obmedzený. Väčšina používateľov o tom nemá ani potuchy. A aj keď sa systém náhle začne „spomaliť“, mnohí ľudia si myslia, že tento procesor nefunguje dobre, a nepripisujú dôležitosť iným faktorom. Aby ste plne porozumeli situácii, zvážte niektoré aspekty CPU.

Čo je to centrálna procesorová jednotka?

Z čoho je vyrobený procesor?

Ak hovoríme o tom, ako funguje procesor Intel alebo jeho konkurent AMD, musíte sa pozrieť na to, ako sú tieto čipy usporiadané. Prvý mikroprocesor (mimochodom bol od Intelu, model 4040) sa objavil už v roku 1971. Dokázal vykonávať len najjednoduchšie operácie sčítania a odčítania len so 4 bitmi informácií, teda mal 4-bitovú architektúru.

Moderné procesory, rovnako ako prvorodené, sú založené na tranzistoroch a majú oveľa väčšiu rýchlosť. Vyrábajú sa metódou fotolitografie z určitého počtu jednotlivých kremíkových dosiek, ktoré tvoria jeden kryštál, do ktorého sú akoby vtlačené tranzistory. Schéma je vytvorená na špeciálnom urýchľovači s rozptýlenými iónmi bóru. Vo vnútornej štruktúre procesorov sú hlavnými komponentmi jadrá, zbernice a funkčné častice nazývané revízie.

Hlavné charakteristiky

Ako každé iné zariadenie, aj procesor sa vyznačuje určitými parametrami, ktoré pri odpovedi na otázku, ako procesor funguje, nemožno ignorovať. V prvom rade je to:

• Počet jadier;
• počet vlákien;
• veľkosť vyrovnávacej pamäte (vnútorná pamäť);
• frekvencia hodín;
• rýchlosť autobusu.

Zatiaľ sa sústreďme na rýchlosť hodín. Niet divu, že procesor je nazývaný srdcom počítača. Rovnako ako srdce pracuje v pulzačnom režime s určitým počtom cyklov za sekundu. Frekvencia hodín sa meria v MHz alebo GHz. Čím je vyššia, tým viac operácií môže zariadenie vykonávať.

Na akej frekvencii procesor pracuje, môžete zistiť z jeho deklarovaných charakteristík alebo sa pozrieť na informácie v Ale počas spracovania príkazov sa frekvencia môže meniť a pri pretaktovaní (overlocking) sa môže zvýšiť až do extrémnych limitov. Deklarovaný je teda len priemerný ukazovateľ.

Počet jadier je ukazovateľ, ktorý určuje počet výpočtových centier procesora (nezamieňať s vláknami – počet jadier a vlákien sa nemusí zhodovať). Vďaka tejto distribúcii je možné presmerovať operácie na iné jadrá, čím sa zvýši celkový výkon.

Ako pracuje procesor: spracovanie inštrukcií

Teraz trochu o štruktúre spustiteľných príkazov. Ak sa pozriete na to, ako procesor funguje, musíte jasne pochopiť, že každá inštrukcia má dve zložky - operačný a operand.

Operačná časť udáva, čo má počítačový systém momentálne robiť, operand určuje, na čom má pracovať procesor. Okrem toho môže jadro procesora obsahovať dve výpočtové centrá (kontajnery, vlákna), ktoré rozdeľujú vykonávanie príkazu do niekoľkých etáp:

• výroba;
• dešifrovanie;
• vykonávanie príkazov;
• prístup k pamäti samotného procesora
• uloženie výsledku.

Dnes sa používa samostatné ukladanie do vyrovnávacej pamäte vo forme použitia dvoch úrovní vyrovnávacej pamäte, čo umožňuje vyhnúť sa zachyteniu dvoch alebo viacerých príkazov prístupu k jednému z pamäťových blokov.

Procesory podľa typu spracovania inštrukcií sa delia na lineárne (vykonávanie inštrukcií v poradí, v akom sú zapísané), cyklické a vetviace (vykonávanie inštrukcií po spracovaní podmienok vetvenia).

Prebiehajúce operácie

Medzi hlavné funkcie priradené procesoru v zmysle vykonateľných príkazov alebo inštrukcií patria tri hlavné úlohy:

• matematické operácie založené na aritmeticko-logickom zariadení;
• presúvanie údajov (informácií) z jedného typu pamäte do druhého;
• rozhodovanie o vykonaní príkazu a na jeho základe výber prechodu na vykonávanie iných súborov príkazov.

Interakcia s pamäťou (ROM a RAM)

V tomto procese by ste si mali všímať komponenty, ako je zbernica a kanál na čítanie/zápis, ktoré sú pripojené k úložným zariadeniam. ROM obsahuje trvalú sadu bajtov. Najprv si adresová zbernica vyžiada konkrétny bajt z ROM, potom ho prenesie na dátovú zbernicu, po čom čítací kanál zmení svoj stav a ROM poskytne požadovaný bajt.

Ale procesory dokážu dáta z RAM nielen čítať, ale aj zapisovať. V tomto prípade sa použije zapisovací kanál. Ale keď sa na to pozriete, vo všeobecnosti by sa moderné počítače teoreticky mohli zaobísť bez RAM, pretože moderné mikrokontroléry sú schopné umiestniť potrebné dátové bajty priamo do pamäte samotného procesorového čipu. Bez ROM sa však nezaobídete.

Okrem iného sa systém spustí z režimu testovania hardvéru (príkaz BIOS) a až potom sa riadenie prenesie na zavádzací operačný systém.

Ako skontrolovať, či procesor funguje?

Teraz sa pozrime na niektoré aspekty kontroly stavu procesora. Musí byť jasné, že ak by procesor nefungoval, počítač by vôbec nemohol začať sťahovať.

Iná vec je, keď sa chcete pozrieť na ukazovateľ využitia schopností procesora v určitom momente. Dá sa to urobiť zo štandardného „Správcu úloh“ (pred každým procesom je uvedené, koľko percent zaťaženia procesora dáva). Na vizuálne určenie tohto parametra môžete použiť kartu výkonu, kde sa zmeny sledujú v reálnom čase. Pokročilé možnosti je možné zobraziť pomocou špeciálnych programov, ako je CPU-Z.

Môžete tiež použiť viacero procesorových jadier pomocou (msconfig) a rozšírených možností zavádzania.

Možné problémy

Na záver pár slov o problémoch. Tu sa mnohí používatelia často pýtajú, hovoria, prečo procesor funguje, ale monitor sa nezapne? Táto situácia nemá nič spoločné s centrálnym procesorom. Faktom je, že keď zapnete akýkoľvek počítač, najskôr sa otestuje grafický adaptér a až potom všetko ostatné. Možno je problém práve v procesore grafického čipu (všetky moderné video akcelerátory majú svoje vlastné grafické procesory).

Ale na príklade fungovania ľudského tela treba pochopiť, že v prípade zástavy srdca odumiera celé telo. Tak je to aj s počítačmi. Procesor nefunguje - celý počítačový systém „zomrie“.