В чем состоит выполнение программ центральным процессором

Центральный процессор — это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

На самом деле то, что мы сегодня называем процессором, правильно называть микропроцессором. Разница есть и определяется видом устройства и его историческим развитием.

Первый процессор (Intel 4004) появился в 1971 году.

Внешне представляет собой кремневую пластинку с миллионами и миллиардами (на сегодняшний день) транзисторов и каналов для прохождения сигналов.

Назначение процессора – это автоматическое выполнение программы. Другими словами, он является основным компонентом любого компьютера.

В состав центрального процессора входят:

Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!

• устройство управления (УУ);
• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;
• генератор тактовой частоты (ГТЧ).

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Запоминающее устройство — это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

К основным характеристикам процессора относится Быстродействие ( вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду. Измеряется в количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду (FLOPS). Быстродействие зависит от следующих параметров:

Тактовая частота в МГц. ТЧ. равна количеству тактов в секунду. Такт — это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего.

Разрядность процессора — это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные.

Система команд процессора представляет собой набор отдельных операций, которые может выполнить процессор данного типа. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Как работает процессор, просто о сложном ✌

Размер кэш-памяти

Подсистема памяти

Оперативная память.

Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоми­нающим устройством (ОЗУ) или RAM (RandomAccessMemory) — па­мятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считы­вать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняется од­ному байту Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схе­мы памяти подается питание, т.е она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими харак­теристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (DynamicRAM), и ста­тическое ОЗУ, или SRAM (StaticRAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсут­ствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите.

При записи или чтении информации из такой ячейки требует­ся время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе, Поэто­му быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у ста­тического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырех или шести транзисторах. Однако из-за большего числа эле­ментов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Кроме этого статические ОЗУ более энергоемки и значительно до­роже. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти использу­ется динамическое ОЗУ Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти (кэш-памяти). В кэш-память из динамической памяти заносятся команды и данные, кото­рые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее произ­водительности. Одним из способов увеличения быстродействия ди­намического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхе­мы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов.

Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адре­сом во втором модуле, байт со вторым адресом в первом модуле и т.д. Поскольку обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти со­держимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, распо­ложенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах — за­щелках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячеек, то ее содержимое читается из защелки.

Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения к ним, это время все еще остается значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производитель­ности процессора. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта па­мять называется кэш-памятью (от англ.cache — запас). Время обра­щения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и срав­нимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновремен­но копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратит­ся к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Та­кая же операция происходит и при записи процессором данных в память.

Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, ког­да шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессо­ры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри про­цессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни.

На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет самый меньший объем и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-­память второго уровня, объем которой больше, чем у памяти первого уровня. И, наконец, кэш-память третьего уровня (самая большая по объему) расположена на системной плате.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память вы­полняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш­-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Источник: studopedia.ru

Что такое процессор (CPU)

В этой статье мы рассмотрим, что такое процессор CPU, какие у него функции и из чего он состоит.

В каждом вычислительном устройстве (ПК, смартфон, фотоаппарат) есть центр, который отвечает за правильную работу машины ― процессор.

В широком смысле процессор ― это устройство, которое выполняет вычислительные и логические операции с данными. Чаще всего этот термин используется для обозначения центрального процессора устройства. Расшифровка CPU ― Central Processing Unit (центральное обрабатывающее устройство). Это самая важная часть компьютера. Его мозг. Он выглядит как квадрат размером приблизительно 5×5 см:

С обратной стороны CPU находятся ножки, с помощью которых он крепится к материнской плате:

От мощности центрального процессора зависит скорость обработки команд и продуктивность работы других составляющих компьютера. Например, можно купить современную видеокарту, но она не сможет показать свои возможности, если управляется слабым CPU.

Функции CPU

Какие функции выполняет центральный процессор CPU? Главная функция ― управление всеми операциями компьютера: от простейших сложений чисел на калькуляторе до запуска компьютерных игр. Если рассматривать основные функции центрального процессора подробнее, CPU:

• получает данные из оперативной памяти, выполняет с ними арифметические и логические операции, передаёт их на внешние устройства,
• формирует сигналы, необходимые для работы внутренних узлов и внешних устройств,
• временно хранит результаты выполненных операций, переданных сигналов и других данных,
• принимает запросы от внешних устройств и обрабатывает их.

Из чего состоит CPU

Центральный процессор состоит из 3-х частей:

1. Ядро процессора, которое выполняет основную работу. Оно позволяет читать, расшифровывать, выполнять и отправлять инструкции. Ядро состоит из следующих частей:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполняет основные математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе.
• Устройство управления (УУ). Управляет работой CPU с помощью электрических сигналов. От него зависит согласованность работы всех частей процессора и его связь с внешними устройствами.

Каждое ядро может выполнять только одну задачу, хоть и за долю секунды. Одноядерный процессор выполняет каждую задачу последовательно. Для современного объёма операций этого мало, поэтому ценятся CPU с более чем одним ядром, чтобы выполнять несколько задач одновременно. Например, двухъядерный выполняет две задачи одновременно, трехъядерный ― три и т. д.

1. Запоминающее устройство. Это небольшая внутренняя память центрального процессора. Она состоит из регистров и кеш-памяти. В регистрах хранятся текущие команды, данные, промежуточные результаты операции. В кеш-память загружаются часто используемые команды и данные из оперативной памяти. Обратиться в кеш быстрее, чем в оперативную память, поэтому объём кеш-памяти влияет на скорость выполнения запросов.
2. Шины ― это каналы, по которым передаётся информация. Они как рельсы для перевозки данных.

Главной характеристикой процессора является производительность. Она зависит от двух параметров: тактовая частота и разрядность.

Тактовая частота ― число выполненных операций в секунду. Измеряется в мегагерцах (МГц — миллион тактов в секунду ) и гигагерцах (ГГц — миллиард тактов в секунду). Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает машина.

Разрядность ― количество информации (байт), которое можно передать за такт. Разрядность процессора бывает 8, 16, 32, 64 бита. Современные процессоры 32-х и 64-битные.

Производители CPU

На рынке есть два основных производителя центральных процессоров ― Intel и AMD.

Продукты Intel — дорогие, но имеют высокую производительность. Потребляют меньше энергии, следовательно меньше перегреваются. Имеют хорошую связь с оперативной памятью.

Продукты AMD значительно отстают от Intel, однако стоят дешевле. Они требуют много энергии и хуже взаимодействуют с оперативной памятью по сравнению с процессорами от Intel.

Подписывайтесь на рассылку нашего блога — впереди много полезных статей!

Источник: www.reg.ru

Из чего состоит процессор

Центральный процессор (ЦП) компьютера — это аппаратное обеспечение, которое выполняет инструкции компьютерной программы. Он выполняет основные арифметические, логические операции и операции ввода/вывода компьютерной системы. ЦП подобен мозгу компьютера — каждая инструкция, какой бы простой она ни была, должна проходить через ЦП.

Итак, скажем, вы нажимаете букву «k» на клавиатуре, и она появляется на экране — центральный процессор вашего компьютера делает это возможным. Центральный процессор иногда также называют центральным процессором или процессором для краткости. Поэтому, когда вы просматриваете характеристики компьютера в местном магазине электроники, он обычно называет ЦП процессором.

Когда мы начинаем рассматривать различные компоненты процессора и то, как они функционируют, помните, что все дело в скорости. Когда мы используем компьютер, мы хотим, чтобы инструкции выполнялись очень быстро.

По мере усложнения инструкций (например, создание 3D-анимации или редактирование видеофайла) мы требуем от процессора большего. Таким образом, технологические достижения, которые мы наблюдаем в процессорной технологии, в значительной степени обусловлены потребностью в скорости.

Компоненты ЦП

В этом разделе мы расскажем о различных названиях внутренних аппаратных частей ЦП. Опишите ниже каждый из них.

Внутренние компоненты ЦП (центральный процессор) и их функции

Блок памяти

Блок памяти является основным компонентом ЦП, поскольку его основная цель — хранить все инструкции и передавать их другому компоненту ЦП (блоку управления).

В компьютерной индустрии компьютерная память делится на две основные категории, такие как первичная и вторичная память. Вся производительность, вычислительная мощность и скорость выполнения компьютерной памяти полностью зависят от ее компоновки и типов, таких как (SRAM или DRAM).

После обработки всех инструкций ЦП блок памяти помогает сохранить сгенерированный вывод, и, наконец, он перемещается на устройства вывода.

Устройство управления

Основной целью блока управления ЦП является управление всеми операциями его блоков, и он помогает перемещать все данные или инструкции между всеми блоками системы. Блок памяти получает все инструкции и данные от блока управления, интерпретирует их и, наконец, передает целые операции другим блокам.

Блок управления является средством связи между всеми устройствами ввода и вывода для передачи или получения всех инструкций из блоков памяти.

Арифметико-логический блок

АЛУ делится на две части, как арифметическое и логическое устройство. Он содержит цифровую схему, состоящую из регистров, и они помогают решать различные арифметические и логические операции. Арифметический блок предназначен для решения различных операций, таких как сложение, вычитание, умножение, деление и т. д.

Основными функциями логического блока являются выполнение различных типов операций, таких как сравнение, выбор, сопоставление и объединение многочисленных значений данных.

Блок ввода/вывода

Блок ввода означает все устройства ввода, которые используются для ввода инструкций со стороны пользователя, такие как клавиатура, мышь, сенсорная панель и т. д. Каждое устройство ввода состоит из собственного аппаратного контроллера, который связан с ЦП и предоставляет ЦП все инструкции о том, как их использовать.

Под единицей вывода понимаются все устройства вывода, на которых выдается результат в текстовом или графическом виде после обработки всех данных, предоставленных пользователем. Некоторыми устройствами вывода являются монитор, принтер, динамик и т. д. ЦП захватывает двоичный код, такой как 0 или 1, и преобразует его в соответствующий формат, необходимый аппаратному обеспечению вывода.

Списки других компонентов ЦП:

• Системная шина. Основной задачей системной шины является передача всех данных и инструкций, а также отправка адресных ячеек, которые уведомляют ЦП, откуда в основной памяти поступают все данные и инструкции и где должны быть сохранены обработанные данные.
• Внешняя шина — это средство связи между основной шиной данных и системной платой.
• Внутренняя шина данных. Этот тип шины данных обеспечивает связь между всеми внутренними компонентами процессора и материнской платы. Размер внутренних шин зависит от того, сколько информации процессор может обрабатывать одновременно.
• Адресные строки. Адресные строки предназначены для определения соответствующего места в блоке памяти, где представлены данные.
• Регистры — регистр также известен как «аккумулятор», и он работает как место временного хранения, куда данные поступают со стороны основной памяти для электронной почты.
• Флаги. Флаги встроены в ЦП и работают как регистры, поскольку указывают все текущие состояния целых функций и других операций.
• Кэш — Кэш также встроен в чип, но это самая быстрая память по сравнению с основной памятью, и это помогает повысить производительность процессора.

Функции и использование ЦП

ЦП является устройством ввода и вывода, так как он получает данные из блока памяти для обработки, а после манипуляции перемещает их снова в блок памяти для отображения результата на экране.

ЦП получает различные инструкции от устройств ввода (мышь, клавиатура, трекбол) и обрабатывает их в четыре разных этапа, после чего, наконец, выдает соответствующий результат.

Здесь мы объясним различные четыре основные функции ЦП (центрального процессора). Опишите ниже каждый из них.

Фаза выборки

На этом этапе ЦП извлекает все инструкции из блока памяти. Все инструкции хранятся в блоке памяти в собственной адресной ячейке, и ЦП получает номер адреса для выборки инструкций с помощью счетчика программ. Когда ЦП получает первую инструкцию, счетчик программ автоматически увеличивается, а затем ЦП последовательно выполняет следующую инструкцию.

Фаза декодирования

После завершения фазы выборки ЦП решает, что выполнить следующий шаг получения данных. На этом этапе ЦП декодирует полученные данные с помощью «схемы декодера». Эти данные преобразуются в ассемблерные инструкции, а дальнейшие ассемблерные инструкции декодируются в виде двоичного языка, ЦП легко может понять двоичные инструкции, такие как 0 и 1.

Фаза выполнения

После завершения фазы выборки и декодирования выполняется следующая фаза, но она полностью зависит от архитектуры ЦП, это означает, что выполнение может выполняться последовательно или параллельно.

Фаза выполнения состоит из трех шагов, таких как выполнение вычислений вместе с ALU (арифметически-логическим устройством), а затем передача данных из одного места памяти в другое место, наконец, переключение на их выделенный адрес.

Фаза хранения

После завершения вышеуказанных трех фаз ЦП выдает окончательную обратную связь, затем полученные выходные данные перемещаются в блоки памяти для хранения. Но у этих воспоминаний медленная скорость и они дешевле регистров.

Особенности процессора

Функции процессора подразделяются на восемь различных категорий, таких как:

• Кэш-память
• Ядра в процессоре
• Скорости
• Пропускная способность
• Hyper Threading
• Справка по виртуализации
• Архитектура процессора
• Встроенный графический процессор
• Характеристики ЦП и их влияние

Кэш-память

ЦП требует больше времени для получения данных из основной памяти системы, поэтому регистры ЦП резервируют важные данные, которые используются в обработке, и далее предшествуют им в кэш-памяти.

Кэш-память — это небольшой фрагмент памяти, но это самая быстрая память по сравнению с основной памятью, которая встроена в ядро ЦП. Кэш-память делится на три уровня, такие как L1, L2 и L3. L1 меньше по размеру, чем L2, но он быстрее, чем L2, и, кроме того, L3 намного быстрее, чем L1 и L2.

Ядра в процессоре

Сегодня современные ЦП разрабатываются наряду с многоядерными, такими как двухъядерные, четырехъядерные, Core i5, Core i7 и i8, и эти ядра помогают обрабатывать данные параллельно для повышения общей производительности компьютерной системы, а также для управлять своей нагрузкой и скоростью.

Каждое ядро имеет собственную кеш-память, и они могут устанавливать связь с его кешем по мере необходимости. Например, процессоры AMD Phenom II разработаны с кэш-памятью 3-го уровня, а ядро графического процессора встроено в ускоренный процессор AMD (APU) для достижения превосходной производительности в математических вычислениях.

Скорости

Производительность ЦП измеряется в различных параметрах, таких как ГГц (Гегагерц) и МГц (Мигагерц), но для измерения частоты используется единица Герц. ЦП способен выполнять несколько задач с использованием их частоты за несколько секунд. Частота измеряется в другом параметре, таком как «сколько раз внутренние часы процессора тикают в циклах/сек». Например, процессор с частотой 2,5 ГГц может тикать 2,5 миллиарда раз в секунду.

Пропускная способность

Каждому устройству ввода/вывода и блоку памяти требуется внутренняя схема для связи с ЦП. Слоты PCI предназначены для связи с картами PCI, которые размещены на материнской плате. USB-контроллеры используются для USB-устройств, таких как мышь, клавиатура, принтер и т. д., а также контроллер памяти для основной памяти. Уровень скорости всех контроллеров, с которыми они взаимодействуют, называется «пропускной способностью», но он варьируется от процессора к процессору. Например, многоядерные процессоры обладают большей пропускной способностью по сравнению с одноядерными процессорами.

Hyper Threading

Гиперпоточность также называется HTT, потому что она имеет один ЦП, но действует как двойной процессор. Он не может гнаться за удвоенной скоростью, но общая производительность повышается столь же резко. Компания Intel предоставляет технологию HTT для повышения производительности процессора.

Справка по виртуализации

Технологии виртуализации помогают одновременно запускать несколько операционных систем на сервере или компьютерной системе и могут увеличить скорость и возможности этих систем. Intel выпустила Intel VT, а AMD выпустила AMD Virtualization.

Архитектура процессора

Операционная система разработана с битовой формой, такой как 32-битная и 64-битная; это означает, что некоторое количество данных может быть обработано одновременно. Таким образом, архитектура ЦП также зависит от 32-битной и 64-битной ОС, потому что, если вы используете 32-битную ОС, ваша система может управлять блоком памяти вместе с 32-битной архитектурой, ЦП может получить доступ только к 32-битным шинам данных.

Встроенный графический процессор

GPU расшифровывается как «Graphical Processing Unit», и его основная цель — собрать всю информацию и перейти на экран для отображения вывода. Таким образом, он интегрирован в процессор, размещенный на материнской плате.

Каковы основные компоненты процессора и их функции?

Центральный процессор состоит из трех основных компонентов, таких как арифметико-логическое устройство (ALU), блок управления (CU) и блок памяти (MU). Перейдите к этому сообщению выше, и вы можете прочитать все функции всех компонентов ЦП.

Подводя итоги

Благодаря этому посту вы узнали, что такое ЦП и его компоненты; с вовлечением частей ЦП и их функций с легкостью. Если эта статья представляет для вас ценность, поделитесь ею со своими друзьями, членами семьи или родственниками в социальных сетях, таких как Facebook, Instagram, Linked In, Twitter и других.

Если у вас есть опыт, советы, рекомендации или вопросы по этой проблеме? Вы можете оставить комментарий!

Источник: secretpc.ru