Что входит в состав процессора

Ни одна вычислительная машина не работает без процессора. Он является основным элементом в каждом смартфоне и компьютере. Отсюда и большое разнообразие процессоров по особенностям структуры, расположению элементов и принципам обработки информации. Чтобы выбрать процессор, нужно понимать не только принцип работы, но и знать особенности каждого типа, соотнести их со своими целями.

Архитектура фон Неймана

Модель организации системы компьютера, сформулированная еще в 1945 году в Америке математиком Джоном фон Нейманом, считается классической. Эта архитектура предполагает наличие в составе компьютера оперативной памяти и процессора, а также вспомогательных периферийных устройств, которые используются для ввода и вывода информации. Большинство современных компьютеров в своем построении соответствуют именно этой архитектуре.

Память состоит из ячеек для хранения информации. В составе процессора 3 компонента:

• управляющее устройство;
• арифметико-логическое;
• запоминающее.

Принцип работы прост: процессор поочередно берет команды из оперативной памяти и выполняет их.

Гарвардская архитектура

Благодаря разделению памяти для инструкций и данных на разные устройства, компьютер с такой моделью построения работает быстрее. В Гарвардской архитектуре хранилища разного назначения могут отличаться по объему. К примеру, места для инструкций может быть меньше, если они хранятся только для чтения.

В отличие от архитектуры фон Неймана, Гарвардская позволяет системе одновременно записывать данные и читать инструкцию.

Параллельная архитектура

При этой системе построения вычислительные задачи выполняются параллельно. В составе компьютера три элемента: модуль памяти, коммутирующая сеть, процессоры. Параллельная архитектура применяется при построении мощных современных компьютеров, в том числе серверов.

Задачи, которые решает параллельная архитектура:

• уменьшение времени на обработку команд;
• ускорение работы программ;
• повышение производительности компьютера.

Параллелизм применяется сегодня не только в компьютерах, но и во многих других системах, таких как смартфоны и планшеты.

Мобильные процессоры

Элемент, отвечающий за быстродействие и работоспособность любого мобильного устройства – процессор. Главное отличие от компьютерных версий заключается в том, что все компоненты расположены на одной плате. Такая система на чипе называется SoC.

В составе мобильного процессора важные элементы:

• ядра – центральное и графическое;
• декодер видео;
• оперативная память;
• интерфейс периферийных устройств.

Процессор отвечает за проведение всех вычислений, обеспечивающих корректную работу программных и аппаратных компонентов.

Процесс изготовления

Основной материал изготовления – кремний. Его расплавляют, а затем с применением специального оборудования выращивают микрокристалл, который имеет цилиндрическую форму. После остывания этот слиток подвергается разрезанию на диски, которые полируются до блеска.

С применением методов травления и фотолитографии на эти блестящие «блины» добавляют интегральные схемы. После очистки и проверки работоспособности пластины разрезают на готовые процессоры, которые помещают в корпуса.

На сегодняшний день именно кремний является самым подходящим материалом для изготовления процессоров, поскольку он имеет атомную структуру.

Производители

Прежде чем отдать предпочтение процессору от того или иного производителя, следует понимать, на каких именно устройствах он специализируется. Если речь идет о мобильном устройстве, хорошим выбором станет продукция от Samsung, Apple, Qualcomm, HiSilicon.

Для обычного офисного или домашнего использования можно выбрать настольный компьютер с процессором от Intel и AMD. Если же вам нужен ПК для сервера, в линейке этих производителей также есть достойные варианты. Кроме того, можно рассмотреть процессоры от компании NVIDIA, которая специализируется на производстве именно для высокопроизводительного компьютерного оборудования.

Конвейерная архитектура

Такая система устройства процессора обеспечивает высокую производительность и оперативность выполнения нескольких задач одновременно. Особенностью является деление операций на микрооперации, которые обрабатываются по очереди. Фактически на выполнение одной команды тратится меньше оперативной памяти, что обеспечивает корректную работу системы при большом количестве запущенных процессов.

Метод распараллеливания в таких процессорах применяется для быстродействия, увеличения скорости инструкций. Это отличный вариант при работе с большими объемами информации, поэтому нередко именно такими процессорами оснащают серверные компьютеры.

Суперскалярная архитектура

Особенностью системы является использование нескольких кодеров в вычислительном ядре, которое осуществляет динамическое исполнение потока команд. Требуется много ресурсов для быстрого выполнения команд вычислительного характера.

Суперскалярная архитектура применяется в процессорах Эльбрус, Пейтон и многих других. А также во всех CPU, созданных по принципам  архитектур ARM, SPARC, MIPS.

CISC-процессоры

Такая процессорная архитектура отличается произвольной длиной команды, небольшим числом регистров (каждый из них отвечает за конкретную функцию). Кроме того, кодированием арифметических действий в одну команду.

Примеры таких процессоров: x86 (на Pentium D, AMD Athlon, Core и других), zSeries (мейнфреймы – большие отказоустойчивые серверы). Из недостатков такого процессора можно выделить сложность подхода к распараллеливанию вычислений.

RISC-процессоры

Отличаются коротким временем выполнения команд, простым декодированием и упрощением инструкций. За счет последнего обеспечивается быстродействие и повышение тактовой частоты. Кроме того, в таких процессорах инструкции распределяются по нескольким блокам для повышения эффективности. Машинные инструкции имеют фиксированную длину, много регистров общего назначения (от 32).

Первый процессор RISC был создан в 60-е годы прошлого столетия. Сегодня такая архитектура применяется во многих процессорах, например, AVR, ARM, POWER.

MISC-процессоры

CPU характеризуются компактными процессорными ядрами и работой на высоких частотах. Несколько логических команд MISC-процессор объединяет в один машинный такт. При этом сама система имеет минимальный набор команд и упрощена максимально.

Процессоры применяются в стереокосмических аппаратах и других устройствах, не требующих большой мощности. К примеру, первый процессор MISC был внедрен в слуховой аппарат.

VLIW-процессоры

Характеризуются работой с командами сверхбольшой разрядности (до 1024 бит). Это большие группы команд, которые выполняются одновременно. Кроме того, процессоры могут объединять несколько простых команд в одну большую. Такая архитектура появилась в начале 80-х годов прошлого столетия.

Сегодня процессоры не имеют широкого распространения. Однако применяются в некоторых суперкомпьютерах, например, Эльбрус-2000.

Многоядерные процессоры

Многоядерность означает, что в одном CPU встроено несколько процессорных ядер. Чисто внешне такие процессоры ничем не отличаются от одноядерных. В операционной системе многоядерный процессор рассматривается как несколько вычислительных блоков.

На сегодняшний день количество ядер в процессоре может достигать 16. Чем больше ядер – тем производительнее процессор. Этот показатель напрямую влияет на возможности CPU выполнять множество задач одновременно. Для сервера оптимальным решением будет четырехъядерный процессор.

Кэширование

Кэш-память расположена прямо в кристалле процессора. CPU извлекает из этого хранилища информацию гораздо быстрее, чем из оперативной памяти. Цель кэширования данных заключается в том, чтобы обеспечить быстродействие при открытии программ на компьютере и выполнении других часто повторяющихся команд.

Кэш-память может предугадывать последующие действия пользователя, основываясь на повторяющихся сценариях и заранее помещать необходимые данные в свои ячейки. По остальным функциональным характеристикам кэш-память не отличается от оперативной.

Цифровые сигнальные процессоры

DSP-микропроцессоры предназначены для обработки оцифрованных сигналов, чаще всего в режиме реального времени. Например, они могут использоваться операторами сотовой связи. Такие CPU начали свою историю в 1970-х годах.

Особенность заключается в том, что система определения зависимостей и составления расписания занимает гораздо больше места, чем вычислительные ресурсы процессора. DSP – один из важных компонентов для виртуального сервера.

Энергопотребление процессоров

Если говорить о режиме ожидания, энергопотребление любого процессора варьируется от 10 до 15 Ватт. Во время работы показатель может различаться в первую очередь в зависимости от архитектуры процессора. Числовое значение может достигать 100 Ватт.

Чтобы определить энергопотребление CPU, можно использовать специальную компьютерную программу, например, AIDA64 или HWiNFO.

Рабочая температура процессора

Оптимальная температура CPU варьируется от +60 до +80 °С. На мощных игровых компьютерах или серверах этот показатель может доходить до отметки +90 °С, но не выше. При превышении допустимой температуры может наблюдаться нестабильность работы всей системы компьютера. В таких случаях рекомендуется отключить питание во избежание деформации материнской платы под действием высокой температуры.

В спокойном состоянии процессор компьютера может сохранять температуру до +45 °С.

Тепловыделение процессоров и отвод тепла

Процессор преобразует свои вычислительные операции в тактовые частоты. Современные CPU разгоняются до нескольких гигагерц (ГГц) в секунду. Он нагревается из-за сильного тока и собственных колебаний.

Процессор автоматически выключается до скорости, при которой температура может упасть до некритического уровня. Впоследствии она снова увеличивается. Чтобы предотвратить или, по крайней мере, ограничить это, процессоры в компьютерах специально охлаждаются при помощи кулеров (радиатор и вентилятор).

Измерение и отображение температуры микропроцессора

Узнать температуру можно в BIOS компьютера (Базовая система ввода/вывода). Это специальное программное обеспечение, расположенное на материнской плате. Войти в БИОС можно при загрузке компьютера. Для этого достаточно нажать клавишу F2 и кнопку питания одновременно.

Также можно установить на свой ПК любую специальную программу (к примеру, CPUID HWMonitor или Core Temp). Преимущество такого варианта заключается в простоте метода и интуитивно понятном интерфейсе. Узнать температуру своего микропроцессора может даже человек, который не очень хорошо разбирается в компьютерах.

Универсальные процессоры

Такие CPU подходят для решения широкого круга задач. Например, персональный компьютер с таким процессором можно использовать для работы и учебы, а также для игры. Универсальные процессоры способны эффективно обрабатывать единственный поток вычислительных команд. Они предназначены для управления периферийными устройствами и операциями памяти. Такие процессоры можно назвать массовыми, так как они используются большинством людей.

Специализированные процессоры

К таким CPU относятся серверные, обладающие большим количеством потоков и ядер, что позволяет им быстро обрабатывать большие объемы информации. К ним относятся Intel Xeon.

Также существуют мобильные процессоры, которые имеют широкое распространение в смартфонах и планшетных компьютерах. А встраиваемые CPU устанавливаются в бытовой технике и электронике.

Процессор и его компоненты

CPU – это сложное электронно-вычислительное устройство, в состав которого входит пять компонентов:

1. Арифметическо-логистическое устройство (АЛУ) – именно оно отвечает за осуществление большинства логических и математических операций.
2. Регистры АЛУ – используются для временного хранения данных.
3. Шины данных и адресные шины – каналы для передачи данных.
4. Кэш – здесь хранятся важные данные, которые необходимы для быстрого запуска приложений.
5. Устройство управления – отвечает за координацию и согласование работы устройств, связанных с процессором.

У персональных компьютеров процессор располагается в материнской плате, соединяющей все самые важные компоненты. Для CPU специально предусмотрено гнездо.

Описание и назначение процессоров

CPU – неотъемлемая часть всех электронных устройств, которые должны обеспечивать вычислительную мощность. Процессор является первым приемником команд электронного устройства. Он регистрирует, какая задача запрашивается пользователем, и направляет ее в соответствующее место.

Например, CPU в качестве блока управления считывает данные из оперативной памяти и распознает входящие и исходящие данные периферийных устройств. Кроме того, могут быть поставлены внутренние задачи.

Устройство процессора

CPU можно разделить на 2 механизма:

1. Вычислительная система. Здесь вводятся данные, обрабатываются и в итоге выводятся обратно.
2. Механизм управления. Он отвечает за совместную работу отдельных компонентов процессора. А также сохраняет и считывает данные из оперативной памяти и периферийного устройства.

Также процессор контролирует, правильно ли выполняются назначенные им задачи. Если этого не произойдет, он подаст сигнал тревоги. При этом CPU сопоставляет выполняемые операции с их целевыми состояниями и может также сделать эту проверку видимой для пользователей (например, пользователь может видеть уведомления об ошибках, наблюдать за ходом загрузки).

Принципы работы процессора

CPU выполняет много функций на физическом уровне, каждая из которых требует соблюдения определенного алгоритма действий. К основным задачам процессора относятся:

• передача данных между регистрами и памятью;
• исполнение арифметических операций;
• выполнение инструкций;
• управление переходами и скачивание по адресам;
• работа с кеш-памятью и регистрами.

Выполнение каждого действия процессора проходит в четыре этапа: принятие команды, декодирование, непосредственно выполнение операции, запись данных.

Характеристики процессора

Особенности оборудования – это именно та информация, которую необходимо изучать и сравнивать при его выборе. Главные характеристики CPU следующие:

• литография – размер используемого транзистора при производстве;
• количество ядер – чем выше показатель, тем больше задач процессор может выполнять одновременно;
• тактовая частота – число операций в секунду, измеряется в МГц и ГГц;
• команд за такт (обозначается IPC) – это характеристика удельной производительности;
• расчетная мощность (TDP) – максимальная тепловая мощность для работы без перегрева, измеряется в Вт;
• набор инструкций – доступные команды;
• размер кэша – это буфер между процессором и оперативной памятью, чаще бывает от 1 до 16 байт.

На производительность процессора главным образом влияет показатель тактовой частоты. Для сервера оптимальным считается значение 2,5 ГГц и выше.

Типы процессоров

Основной критерий для типологии процессоров – это набор выполняемых команд и их порядок. Выделяются следующие типы:

• процессоры с набором сверхдлинных команд;
• с минимальным набором длинных команд;
• классические;
• с сокращенным набором команд.

Также выделяются автономные процессоры и являющиеся неотъемлемой частью вычислительной машины (центральный процессор).

Выбор процессора для сервера – важная задача. При выборе следует опираться на глубокие знания особенностей оборудования. Также важно исходить из целей, для которых сервер будет применяться. Лучшее решение – обратиться за помощью к специалистам. На сайте ittelo.ru работают профессиональные IT-инженеры. Они с радостью помогут вам выбрать подходящий CPU для сервера с учетом ваших целей, пожеланий и финансовых возможностей.