Основні компоненти процесора: опис та характеристики
Центральний процесор (ЦП)
Центральний процесор (ЦП) є “мозком” комп’ютера. Він виглядає як невеликий квадратний або прямокутний чіп із золотистими контактами або пінами на одному з боків. Він розташовується на материнській платі в спеціальному гнізді і прикріплюється за допомогою замка або ручки. Сигнали, які проходять через ЦП, представляють собою набір електричних імпульсів, які кодують інструкції та дані для обробки.
Кеш-пам’ять
Кеш-пам’ять – це вбудована пам’ять процесора, яка забезпечує швидкий доступ до інформації, яка часто використовується або буде використана найближчим часом. Вона розташована безпосередньо на чіпі процесора.
Кеш-пам’ять процесора впливає на швидкість і ефективність роботи комп’ютера. Вона служить як проміжний буфер між процесором та оперативною пам’яттю (ОЗП) для зберігання інформації, яка часто використовується або буде використовуватися найближчим часом. Завдяки кеш-пам’яті, процесор може отримати доступ до даних та інструкцій швидше, ніж з ОЗП, що підвищує його продуктивність.
Кеш-пам’ять поділяється на рівні (L1, L2, L3), кожен з яких має різний розмір та швидкість доступу до даних. L1-кеш – найшвидший, але має найменший розмір, тоді як L3-кеш – найбільший, але з меншою швидкістю доступу. Використання кеш-пам’яті дозволяє оптимізувати роботу процесора, зменшуючи час, необхідний для отримання даних або інструкцій.
Чому L1-кеш найшвидший, а L3-кеш найповільніший
Основні причини, чому L1-кеш найшвидший, а L3-кеш найповільніший, полягають у наступному:
Розміщення: L1-кеш розташований безпосередньо в ядрі процесора, тому він може забезпечити найшвидший доступ до даних. L2-кеш також розташований близько до ядра, але трохи далі, а L3-кеш ще далі від ядра. Це робить доступ до L1-кешу найшвидшим і до L3-кешу найповільнішим.
Розмір: L1-кеш має найменший розмір порівняно з L2 та L3 кешами. Чим менший розмір кешу, тим швидше можна знайти потрібні дані, оскільки менше часу витрачається на пошук. З іншого боку, L3-кеш має найбільший розмір, що робить пошук даних в ньому повільнішим.
Асоціативність: L1-кеш зазвичай має меншу асоціативність, тобто менше місць, де можуть зберігатися дані. Це робить пошук даних в L1-кеші більш прямолінійним і швидким. Навпаки, L3-кеш має більшу асоціативність, що збільшує час пошуку даних.
Ось приклад як виглядає кеш-пам’ять(L1, L2, L3) в процесорі та їх розміщення.
Коли дивимося на фото, бачимо, що L1 розташована найближче до ядра і найменша, а L3 знаходиться найдалі від ядра, але є найбільшою.
Оперативна пам’ять (ОЗП)
Оперативна пам’ять (ОЗП) – це додаткова пам’ять, з якою взаємодіє процесор для зберігання та обробки даних. Вона представляє собою набір модулів пам’яті, які вставляються у спеціальні гнізда на материнській платі. ОЗП не знаходиться безпосередньо в самому процесорі, але вона є важливим компонентом для опису його роботи. ОЗП розташована окремо від процесора на материнській платі комп’ютера і підключена до процесора за допомогою спеціальних шин даних та керування.
На цих фото зображена ОЗП для ПК та ноутбука:
ОЗП забезпечує швидкий доступ до інформації, яку процесор використовує під час виконання завдань. Оперативна пам’ять дозволяє комп’ютеру працювати з більшою кількістю даних одночасно, що підвищує його продуктивність.
Існує кілька типів оперативної пам’яті, таких як DRAM (динамічна оперативна пам’ять), SRAM (статична оперативна пам’ять) та SDRAM (синхронна динамічна оперативна пам’ять). Вони відрізняються за швидкістю, енергоспоживанням та вартістю.
Об’єм оперативної пам’яті може варіюватися від декількох мегабайт (МБ) до декількох сотень гігабайт (ГБ) у сучасних комп’ютерних системах. Загальноприйняті розміри оперативної пам’яті сьогодні становлять 4 ГБ, 8 ГБ, 16 ГБ та 32 ГБ, хоча доступні й інші варіанти. Більший об’єм оперативної пам’яті дозволяє комп’ютеру працювати з більшою кількістю даних та відкритих програм одночасно.
Зв’язок між компонентами
ЦП, кеш-пам’ять та ОЗП взаємодіють між собою через різні шини та контролери на материнській платі. Шини – це провідники, які передають сигнали між різними компонентами. Шина передачі даних (Data Bus) забезпечує передачу даних між процесором та ОЗП, а шина адреси (Address Bus) вказує місце в ОЗП, де знаходяться дані або куди їх потрібно записати. Контролери керують передачею сигналів та синхронізацією дій між різними компонентами.
Шини можуть бути виготовлені з різних матеріалів, таких як мідь або алюміній, та мають провідні властивості для передачі електричних сигналів. У процесорі шини виконують важливі ролі, забезпечуючи зв’язок між різними рівнями кеш-пам’яті та оперативної пам’яті, а також з іншими пристроями вводу-виводу. Імпульси передаються через шини у вигляді електричних сигналів з різними рівнями
Регістри
Регістри – це невеликі, але дуже швидкі сховища даних, розташовані безпосередньо в процесорі. Вони використовуються для зберігання проміжних результатів обчислень або для зберігання адрес пам’яті, які процесор повинен обробляти. Регістри можуть зберігати обмежену кількість даних, але вони надзвичайно швидкі, що дозволяє оптимізувати процес обробки інформації.
Арифметико-логічний пристрій (АЛП)
Арифметико-логічний пристрій (АЛП) відповідає за виконання арифметичних та логічних операцій, таких як додавання, віднімання, множення, ділення, порівняння та операції з бітами. Він розташований на чіпі процесора поряд з регістрами та кеш-пам’яттю. Зазвичай знаходиться всередині ядра процесора.
Як працює процесор
Для початку треба зрозуміти що таке інструкція для процесору і що таке такт.
Інструкція – це команда або операція, яку виконує процесор. Вона містить операцію(що потрібно виконати), і операнди(на яких ця операція повинна бути виконана). Операції можуть бути додавання, віднімання, множення, ділення, порівняння та інші. Операндами можуть бути числа, адреси пам’яті, реєстри процесора та інші значення.
Інструкції передаються в процесор за допомогою шини, що з’єднує його з оперативною пам’яттю, згадану вище. Перш ніж виконати інструкцію, процесор повинен спочатку отримати її з пам’яті. Інструкції можуть бути записані у вигляді послідовності бітів, що кодують операції, які повинен виконати процесор. В залежності від розміру інструкції, вона може займати від одного до кількох байтів пам’яті.
Крім того, інструкції можуть бути записані у різних форматах, залежно від архітектури процесора. Наприклад, у процесорах архітектури x86, інструкції можуть мати довжину від одного до 15 байтів та мати різні формати, такі як простий, складний, з варіативною довжиною тощо.
Коли процесор виконує інструкцію, він проходить п’ять основних етапів: отримання, декодування, виконання, робота з пам’яттю та запис результатів. Кожен з цих етапів відбувається в окремому такті, і в сучасних процесорах їх виконується мільярди за секунду.
Після того, як інструкція була отримана процесором, вона проходить крізь такі елементи, як буфер введення/виведення, АЛП (арифметико-логічний пристрій), блок виконання, і блок запису. Процесор декодує команди, а потім виконує їх відповідно до їхнього призначення. Кожен такт процесора виконує певну кількість роботи, залежно від тактової частоти процесора, тому процесор може обробляти велику кількість інструкцій за короткий проміжок часу.
Ось приклад інструкції до того, як вона буде передана в процесор:
ADD R1, R2, R3
Це асемблерна мова. У цій інструкції “ADD” – це операція додавання, а “R1”, “R2” та “R3” – це регістри, з якими проводиться операція додавання. Інструкція додає значення регістрів R2 і R3 і результат зберігається у регістр R1.
Після того, як ця інструкція буде передана в процесор, вона буде представлена у вигляді бінарного коду, який складається з нулів та одиниць. Ось приклад бінарного коду цієї ж інструкції:
000110 00010 00011 00001
У цьому коді кожні 6 біт кодують різні аспекти інструкції: перші 6 біт – це код операції “ADD”, наступні 5 біт – це код регістру “R1”, наступні 5 біт – це код регістру “R2”, а останні 5 біт – це код регістру “R3”. Таким чином, процесор може розуміти, яку операцію потрібно виконати та з якими регістрами це потрібно зробити, оброблюючи бінарний код інструкції.
Тепер щодо такту.
Такт – це базова одиниця часу, під час якого виконується один етап обробки інструкції процесором. Якщо процесор має тактову частоту 3.4 ГГц, то це означає, що він може виконати 3.4 мільярда тактів за секунду.
Під час одного такту процесор отримує інструкцію з пам’яті, декодує її, виконує необхідні обчислення, звертається до пам’яті для зчитування або запису даних та записує результат в пам’ять. Кожен етап відбувається в окремому такті, і здійснюється шляхом передачі сигналів через внутрішні шини процесора(що таке шини ми розглянули вище).
Швидкість виконання інструкцій залежить від тактової частоти процесора, тому що чим вища тактова частота, тим більше тактів відбувається за одну секунду, що дозволяє процесору виконувати більше інструкцій за одиницю часу. Проте, використання високих тактових частот призводить до підвищення виробництва тепла та енергії, що може призвести до проблем з охолодженням та живленням, тому існує баланс між швидкістю та використанням енергії при проектуванні процесорів.
Отже щоб закріпити цю інформацію – розберемо по тактам виконання всіх етапів інструкції вище:
- Отримання: Процесор отримує інструкцію ADD R1, R2, R3 з пам’яті, де вона зберігається.
- Декодування: Процесор декодує інструкцію і визначає, що це операція додавання значень, збережених у регістрах R2 та R3, і результат має бути збережений у регістрі R1.
- Виконання: Процесор виконує операцію додавання значень, збережених у регістрах R2 та R3, і результат зберігається у регістрі R1.
- Запис результату: Результат операції (сума значень з регістрів R2 та R3) зберігається в регістрі R1.
Багатоядерність і паралелізм на рівні апаратного забезпечення
Якщо ви помітили, на фотографіях вище при описі кеш-пам’яті, в процесорі було зображено декілька ядер, вони містили в собі однакові між собою елементи.
Кожне ядро містить в собі всі основні компоненти процесора, такі як арифметико-логічний пристрій (АЛП), блок керування, регістри загального призначення, кеш-пам’ять та з’єднувальні шини. Крім цього, в залежності від архітектури процесора, ядра можуть мати додаткові компоненти, такі як модулі з криптографічними операціями або підтримкою віртуалізації. Кожне ядро працює незалежно від інших ядер, але може спільно використовувати деякі ресурси, такі як кеш-пам’ять.
Багатоядерність – це технологія, яка дозволяє виконувати кілька задач одночасно за допомогою кількох незалежних ядер в одному процесорі. Ядра можуть виконувати різні завдання в той самий час, що дозволяє значно підвищити продуктивність.
Деякі інструкції можуть бути розділені між різними ядрами. Наприклад, якщо процесор має два ядра, то кожне з них може виконувати окрему частину інструкції, що може прискорити її виконання. Однак не кожна інструкція може бути розділена на декілька частин для виконання на різних ядрах, тому не завжди можна досягти максимальної продуктивності за допомогою багатоядерності.
Наприклад, якщо на комп’ютері запущені декілька програм, багатоядерний процесор може виконувати кожну програму на окремому ядрі, тим самим зменшуючи час очікування на обробку.
Паралелізм – це технологія, яка дозволяє виконувати різні завдання одночасно. Це може бути досягнуто за допомогою різних методів, таких як розподіл завдань між декількома процесорами або використання кількох ядер в багатоядерному процесорі.
Наприклад, якщо на комп’ютері запущена велика обчислювальна задача, її можна розділити на кілька менших завдань та виконувати їх паралельно на кількох ядрах. Це дозволить зменшити час обробки та збільшити продуктивність.
Багатоядерність та паралелізм – це два різні способи досягнення більшої продуктивності комп’ютера. Багатоядерність базується на наявності кількох фізичних ядер у процесорі, тоді як паралелізм може бути досягнутий за допомогою розділення завдань на менші незалежні підзавдання, які можуть виконуватися паралельно.
Як створюються процесори
Створення процесорів є складним і трудомістким процесом, який зазвичай здійснюється за допомогою автоматизованих технологій виробництва напівпровідникових пристроїв. Спочатку виробляються пластини кремнію, які потім обробляються літографічними методами, щоб на них нанести дрібні структури і провідники. Далі, за допомогою хімічних реакцій та іонів, створюються мікросхеми з тисячами транзисторів та інших компонентів. Процесори виготовляються в основному за допомогою автоматизованих технологій, оскільки вони мають складну структуру та високу точність виготовлення, яку складно досягти вручну.
Елементи в процесорі є надзвичайно маленькими і міряються у нанометрах (нм), що є тисячі разів менше, ніж товщина людського волосся. Ось кілька прикладів повсякденних речей, щоб краще зрозуміти масштаби:
- Ширина людини у волосся складає близько 100 000 нм.
- Товщина листка паперу близько 100 000 нм.
- Товщина пластинки мікросхеми в процесорі зазвичай становить 14 нм або менше.
- Розмір транзистора на сучасних мікросхемах зазвичай становить менше, ніж 10 нм.
Ці нанометрові розміри дозволяють процесорам працювати на дуже високих частотах, виконувати багато операцій одночасно і займати дуже мало місця на платі.
