Основные характеристики процессора

Процессор — это

Это часть компьютера, которая выполняет инструкции компьютерной программы, выполняя основные операции, такие как сложение, вычитание и операции над данными в памяти. Он интерпретирует и выполняет инструкции компьютерной программы для выполнения таких задач, как управление устройствами ввода/вывода, запуск приложений и обработка данных. Они — мозг каждого компьютера, выполняющий невероятно сложные вычисления и задачи, которые позволяют нам делать все — от загрузки веб-страницы до создания целого сайта. Поскольку они маленькие, но при этом мощные, то позволяют таким устройствам, как умные часы, работать так же быстро, как телефон или некоторые компьютеры.

Большинство настольных компьютеров содержат центральный процессор, разработанный Intel или AMD и использующий архитектуру процессоров x86. Мобильные устройства, такие как ноутбуки и планшеты, могут использовать процессоры Intel и AMD, а также специальные мобильные процессоры, разработанные такими компаниями, как ARM или Apple.

Из чего состоит процессор

Для выполнения любой операции на компьютере процессор должен интерпретировать операционную систему. Процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и блока управления, который измеряет возможности с точки зрения:

1. Максимального количества битов/инструкций.
2. Способности обрабатывать инструкции в заданное время.
3. Относительной тактовой частоты.

Источник: en.ppt-online.org

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

АЛУ отвечают за арифметические логические вычисления и решения в системе. Это устройство также известно как математический мозг компьютера. Для вычислений АЛУ использует регистры. Оно получает входные данные из входного регистра, обрабатывает их и сохраняет в выходном регистре.

Функции:

1. Выполняет арифметические и логические операции.
2. В основном используется для принятия решений.
3. Оно служит связующим звеном между первичным и вторичным хранилищем компьютера. Вся информация, передаваемая между первичным и вторичным хранилищем, проходит через это устройство.

Блок управления (БУ)

Назначение блока управления в контроле устройств ввода и вывода, арифметических и логических блоков, как память компьютера реагирует на инструкции, отправленные в центральный процессор. Блок принимает входные данные, преобразует их в декодированный формат, а затем отправляет в процессор компьютера для обработки, где тот выполняет нужную операцию. Существует два типа блоков управления: жестко подключаемые БУ и микропрограммируемые БУ.

Функции:

1. Контролирует порядок поступления и вывода инструкций из процессора и их выполнение.
2. Контролирует функциональность других компонентов процессора, таких как АЛУ и регистры.
3. Он отвечает за прием входного сигнала, его преобразование в сигнал и сохранение для дальнейшей обработки.

Регистры

Регистры являются частью памяти компьютера и временно хранят инструкции, чтобы при необходимости предоставить их процессору. Играют важную роль в обработке данных. Хранят данные в виде адреса памяти и после обработки инструкции, которая существует по этому адресу памяти, также хранят в памяти адрес следующей инструкции. Различные типы регистров выполняют разные функции.

Функции:

1. Входные регистры используются для передачи входных данных.
2. Выходной регистр используется для передачи выхода.
3. Временные регистры временно хранят данные.
4. Счетчик программы хранит адрес инструкции.
5. Регистр адреса хранит адрес в памяти.
6. Регистры данных хранят операнды памяти.
7. Регистр команд содержит код команды.

Кэш

Кэш — это память с произвольным доступом, в которой временно хранится небольшой объем данных и инструкций, которые могут быть использованы повторно при необходимости. Инструкции могут быть быстро извлечены непосредственно из кэша, вместо того чтобы извлекать их из оперативной памяти, что сокращает время извлечения инструкций.

В восьмидесятые годы компьютерные процессоры становились все быстрее и быстрее, а время доступа к памяти застопорилось и препятствовало дальнейшему росту производительности. Нужно было что-то делать, чтобы ускорить доступ к памяти и заставить всю систему работать эффективнее. Несоответствие между скоростью вычислений и памяти в конечном итоге привело к разработке процессорного кэша. По сути, это быстрый тип памяти.

Функции:

1. Сокращают время, необходимое для получения и выполнения инструкций.
2. Временно сохраняют данные для последующего использования.

ПК работают с тремя разными типами памяти:

1. Первый — это основная память в виде жесткого диска (HDD) или твердотельного диска (SSD). Это память с наибольшим объемом.
2. Затем идет оперативная память (RAM), которая намного быстрее, но и меньше, чем основная.
3. Память внутри процессора — кэш. Это тот тип памяти, который работает быстрее всего. Как только программа запускается, она выполняет ряд команд, которые содержатся в ее коде. Сначала программа загружает эти команды в оперативную память, откуда они передаются в процессор. Для наилучшего выполнения этих команд процессору нужна очень быстрая память. Именно здесь на помощь приходит кэш.

Тактовая частота

Тактовая частота — это показатель скорости выполнения инструкций центральным процессором компьютера. Обычно она измеряется в гигагерцах (ГГц). Более высокая тактовая частота обычно означает, что процессор может обрабатывать больше инструкций в секунду, а значит, лучше справляется с задачами, требующими быстрой обработки данных.

К характерным свойствам высокой тактовой частоты относятся:

1. Повышенная производительность.
2. Улучшенная многозадачность.
3. Большая эффективность.
4. Повышенное энергопотребление.
5. Ограниченность другими факторами: Тактовая частота процессора — это лишь один из факторов, определяющих его производительность. Другие факторы, такие как количество ядер и архитектура процессора, также могут влиять на общую производительность компьютера.

Шины

Шины — это соединения между различными компонентами компьютерной системы и процессорами. Они используются для передачи сигналов и данных от процессора к различным устройствам и наоборот. Существует три типа шин.

Функции:

1. Процессы используют шину адреса для передачи адресов памяти другим компонентам.
2. Процессор использует шину данных для передачи фактических данных компонентам, а процессор использует шину управления для передачи управляющих сигналов другим устройствам.
3. Приводит в действие различные компоненты системы.
4. Используется для обмена данными между различными устройствами.

В состав центрального процессора также входят следующие компоненты:

• несколько сотен миллиардов транзисторов;
• миллионы логических вентилей;
• миллионы резисторов, которыми может управлять всего один процессор.

Основные характеристики

1. Он состоит из регистров, блока управления, арифметических операций.
2. Состоит из ядра, которое отвечает за то, чтобы компьютер выполнял процессы с большей скоростью, плавностью и оптимизацией времени.
3. Имеет кэш-память, что подразумевает способность увеличивать производительность приложений, установленных в компьютере. Он ускоряет работу оперативной памяти и жесткого диска.
4. Процессоры с двумя ядрами называются двухъядерными, а с четырьмя — четырехъядерными.
5. Ядра находятся в одном физическом блоке, но на самом деле это отдельные процессоры.
6. Чем быстрее процессор, тем быстрее выполняются инструкции.
7. Современные процессоры часто включают в себя несколько вычислительных ядер, которые работают вместе для обработки инструкций.

Виды

1. Процессор с набором инструкций для конкретного приложения (ASIP).
Это компонент, используемый при проектировании системы-на-кристалле (СНК). Набор инструкций ASIP настраивается для решения конкретных задач. Для некоторых ASIP этот набор инструкций является настраиваемым. ASIP может быть альтернативой аппаратным ускорителям для кодирования видео или обработки сигналов базовой полосы.

2. Процессоры по количеству ядер
Различные типы процессоров в зависимости от количества ядер:

1. Одноядерный микропроцессор имеет одно ядро в своей матрице. Он выполняет цикл выборка-декодирование-исполнение один раз за такт, поскольку работает только в один поток. Эти процессоры были менее востребованы из-за меньшей вычислительной мощности. Их низкая скорость сделала многоядерные системы более популярными.
2. Многоядерные процессоры — это микропроцессоры на одном интегральном блоке с двумя или более ядрами. Каждое ядро считывает и выполняет программные инструкции. При этом один процессор может одновременно выполнять инструкции на отдельном ядре. Благодаря этому увеличивается общая скорость работы программ, поддерживающих многопоточность и технику параллельных вычислений.
3. Гиперпоточность — это технология, которая используется в микропроцессорах Intel. Эта технология позволяет одному микропроцессору работать как два процессора для операционной системы и приложения. Благодаря гиперпоточности ресурсы процессора используются более эффективно, позволяя запускать несколько потоков на каждом ядре.

3. Процессор на основе классификации Флинна
Согласно таксономии Флинна, процессоры можно классифицировать на основе параллельных инструкций и потоков данных, доступных в архитектуре. Они делятся на виды:

1. SISD.
   Это компьютерная архитектура, в которой один одноядерный процессор выполняет один поток инструкций. Это делается для работы с данными, хранящимися в одной памяти. SISD может иметь характеристики одновременной обработки.

   Здесь инструкции поступают в блок управления из модуля памяти. Затем они декодируются и отправляются в блок обработки, который обрабатывает данные, полученные из модуля памяти, и затем отправляет их обратно. Примерами являются традиционные однопроцессорные машины, такие как ПК, старые мэйнфреймы, конвейерные и суперскалярные процессоры.

2. Одиночный поток команд (SIMD).
   Это тип компьютера с несколькими вычислительными элементами. Он одновременно выполняет одну и ту же операцию над несколькими точками данных, а также параллельные вычисления только по одной инструкции в определенный момент времени. SIMD может быть частью аппаратного дизайна и напрямую доступна через архитектуру набора инструкций (ISA). Эти машины не используют параллелизм.

3. Множественный поток команд (MIMD)
   Это техника, используемая для достижения параллелизма. Машины с MIMD имеют несколько процессоров, которые работают независимо и асинхронно. Несколько автономных процессоров в любой момент времени выполняют разные инструкции на разных участках данных.

   Эти машины могут быть как с общей, так и с распределенной памятью, в зависимости от того, как процессоры MIMD обращаются к памяти. Общая память может быть шинной, иерархической или расширенной. Распределенная память может быть типа гиперкуба или сетки.

4. MISD.
   Это тип параллельной вычислительной архитектуры, в которой несколько функциональных блоков выполняют различные операции над одними и теми же данными. Каждый CU обрабатывает один поток инструкций через соответствующие вычислительные элементы. Такая архитектура используется для обеспечения отказоустойчивости. Компьютеры с организацией MISD используются редко. Примером MISD является компьютер управления полетом космического корабля Space Shuttle.

Как выбрать

Какие характеристики процессора нужно учитывать при покупке:

Количество ядер

Ядра можно рассматривать как отдельные процессоры. Каждое дополнительное ядро увеличивает производительность процессора и повышает способность к многозадачности. Наличие большего количества ядер помогает процессору работать в многозадачном режиме, поскольку каждое ядро может быть сосредоточено на выполнении определенной задачи. Процессоры с большим количеством ядер стали новой нормой, поскольку современное программное обеспечение и игры начинают использовать технологию многоядерных процессоров для значительного увеличения производительности.

Большинство современных процессоров имеют от двух до 64 ядер, при этом все, что превышает 32 ядра, полезно только для самых продвинутых пользователей, включая AAA-геймеров, которые также занимаются стримингом, рендерингом и редактированием 3D-видео, а также другими требовательными задачами. Современным пользователям настоятельно рекомендуется использовать как минимум четыре ядра, а шести-восьми ядер будет достаточно для большинства пользователей, не относящихся к продвинутым категориям.

Многие программы не могут задействовать все ядра, и дальнейшее увеличение числа ядер не повлияет на производительность системы.

Потоки

Если ядра — это отдельные процессоры в ЦП, то потоки — это количество задач, которые эти ядра могут выполнять в один момент времени. Современные процессоры часто имеют больше потоков, чем ядер. Это означает, что каждое ядро может выполнять более одной задачи одновременно. Добавление потоков не так мощно, как добавление ядер, но увеличивает общую производительность процессора.

Многопоточность или гиперпоточность позволяет ядру одновременно выполнять две последовательности операций, которые операционная система интерпретирует как два логических ядра. Если сравнивать два процессора с одинаковым количеством ядер, то процессор с большим количеством потоков обладает большей мощностью, хотя дополнительные потоки используют одни и те же ресурсы.

Кэш

Кэш-память процессора работает так же, как и оперативная память компьютера. Процессоры с большим объемом кэша могут хранить больше данных для быстрого поиска и обработки. В основном это полезно при работе в многозадачном режиме.

Тактовая частота

Тактовая частота 3,0 ГГц означает, что процессор может обрабатывать до трех миллиардов циклов в секунду, или инструкций, которые процессор может выполнить за один тактовый цикл, или время между открытием и закрытием миллиардов транзисторов в процессоре.

Чем быстрее работает процессор, тем выше его производительность, но это не всегда так. Количество ядер и потоков также могут существенно влиять на производительность. При определении мощности процессора необходимо учитывать все три этих параметра. Более медленный процессор с большим количеством потоков или ядер может легко превзойти высокоскоростной процессор с меньшим количеством потоков или ядер.

Тепловая расчетная мощность

TРМ — это количество тепла, которое он выделяет, и количество энергии, необходимое процессору для оптимальной работы. Это число важно, потому что оно позволяет узнать, какое охлаждение потребуется для процессора, а также какая мощность блока питания может понадобиться компьютеру.

Совместимость сокетов

Корпус на материнской плате, в который устанавливается процессор, называется сокетом. Они бывают разных форм и размеров, поэтому очень важно знать, какой тип сокета использует ваш процессор и какой совместим с вашей материнской платой.