Как работает процессор на уровне Физики? [закрыт]
Хотите улучшить этот вопрос? Переформулируйте вопрос так, чтобы он был сосредоточен только на одной проблеме.
Закрыт 5 лет назад .
Изучая C++ у меня возник вопрос, как устроен ПК и как так происходит, что он «понимает» данные ему команды? То есть как он понимает, что 2+2=4, он же не человек?
Отслеживать
51.4k 87 87 золотых знаков 267 267 серебряных знаков 505 505 бронзовых знаков
задан 26 мар 2018 в 21:49
129 1 1 серебряный знак 7 7 бронзовых знаков
Это слишком сложная для обсуждения здесь тема. Подробно можно почитать, например, в книге Таненбаума «Архитектура Компьютера»
26 мар 2018 в 22:00
В разных областях этого «куска железа» разная плотность электронов. Их перетекание из одной части в другую трактуется как смена 0 на 1 и наоборот. При этом «куски железа» соединены весьма хитроумно, так чтобы 0 и 1-ки в одних местах влияли (в соответствии с булевой логикой) на 1-ки и нули в других.
26 мар 2018 в 22:53
Не железа, а кремния. Куча хитрым образом соединённых транзисторов. (А их вроде в школе проходят)
27 мар 2018 в 5:12
29 мар 2018 в 8:49
29 мар 2018 в 9:11
1 ответ 1
Сортировка: Сброс на вариант по умолчанию
Если хотите узнать подробно, то советую почитать классический труд Тоненбаума — «Архитектура компьютера», где рассматриваются большинство уровней функционирования компьютера, начиная с самого низкого. Большинство схем ниже взяты оттуда.
В современных компьютерах есть такой электрический элемент, как транзистор. Он представляет из себя элемент с тремя ножками: коллектор, базу, эммитер. Но суть в том, что он умеет в зависимости от сигнала на базу, выпускать ток или нет.
Сигнал на базу поступает из различных внешних источников — намагниченная дорожка жесткого диска, проходящий луч лазера через CD-R или же замкнутый нажатой кнопкой на клавиатуре контакт. Не важно, главное, что у нас теперь есть два состояния — есть сигнал и нет сигнала.
А теперь самое интересное, мы может комбинировать эти транзисторы и получить различные результаты на основе входящих на их базы сигналов.
На самом деле вы же уже знакомы с булевой алгеброй, когда на вход подаются различные сигналы и получается в итоге другой? Ну так вот это оно и есть, это называется вентили.
А это значит, что теперь у нас есть целый конструктор! И на этом конструкторе мы может создавать различные схемы, которые будут давать разный результат. Подали на базы различные сигналы и получили на выходе результат.
Вот так выглядит схема сдвига и схема полусумматора. Объединив несколько полусумматоров, мы как раз получим побайтовое сложение чисел, о чем вы и спрашиваете в вопросе.
Есть даже схемы, которые умеют хранить значение, так называемые защелки выполняющие роль памяти (RS-триггер).
Как видите никакой магии, ну почти — на одном процессоре таких транзисторов умещается миллиарды. нет, не так — МИЛЛИАРДЫ! Это огромнейшее количество различных схем различной сложности и различного направления на паре квадратных сантиметров. Расчетом их упаковки на процессор как правило занимаются специальные программы, человеку это не под силу и создаются они с помощью высокоточной электроники. Сложно представимый научный прогресс в маленькой коробочке рядом с вами. В общем как-то так.
Что такое процессор, как он работает и на что обращать внимание при выборе
Процессор – это центральный элемент компьютеров или других устройств, предназначенных для цифровой обработки информации ‑ мобильных телефонов, медиаплееров, фотоаппаратов, блоков управления двигателями и трансмиссиями и т.д. Именно он выполняет большую часть тех миллионов простейших операций, из которых складывается осмысленная работа всего аппаратно-программного комплекса, каким является действующий компьютер.
Процессор – самая загадочная деталь компьютера
Среди людей господствует стойкое представление о центральном процессоре как о «мозге» вычислительной машины. Он «думает», «принимает решения» и т.д. Его работа и в самом деле создает такое впечатление. Однако на физическом уровне процессор – это всего лишь сложно организованный набор транзисторов, сформированных на пластине кремния. Каждый из них – это переключатель, который меняет свою проводимость в зависимости от входного напряжения.
Работа компьютера парадоксальна – сложные и логичные действия выполняются совершенно «безмозглым» устройством.
Некоторую ясность вносит описание структурной схемы процессора. С этой точки зрения он состоит из нескольких блоков:
- блока управления;
- арифметико-логического устройства (АЛУ);
- нескольких внутренних регистров памяти;
- буферной кэш-памяти.
Это весьма упрощенная схема, которая, тем не менее, иллюстрирует работу процессора.
- Блок управления принимает информацию с шины данных, дешифрует ее и отдает команды на АЛУ.
- АЛУ выполняет арифметические и логические операции над содержимым регистров и обменивается информацией с ними.
- Кэш-память служит буфером между оперативной памятью (ОЗУ) и регистрами процессора. Она имеет очень малое время доступа и предварительная загрузка данных в нее из ОЗУ ускоряет операции ввода-вывода и сокращает время ожидания процессора.
Любое действие, производимое процессором, выполняется без какой-либо оценки его целесообразности, логичности, безопасности для данных или оборудования. Все это предусматривается в выполняемой программе и является сферой ответственности программиста.
Процессор процессору рознь
Единой и всеобъемлющей классификации процессоров не существует. Их разделяют на типы и группы по разным признакам.
- Тактовая частота. Этот параметр считается показателем скорости работы процессора, но лишь опосредованно характеризует его реальную производительность.
- Архитектура. Под архитектурой процессора понимают особенности выполнения операций, зависящие от организации обмена данными и состава команд. Различают несколько основных архитектур, которые отражают развитие процессоров.
- Линейная. Команды выполняются последовательно, каждая из них занимает один такт процессора.
- Конвейерная. Команды объединяются в функциональные блоки и выполняются параллельно в пределах группы. Например, при выполнении АЛУ очередного действия, блок управления в том же такте дешифрует и помещает в регистр следующую команду.
- Суперскалярная. Число одновременно выполняемых команд увеличивается за счет роста количества исполнительных устройств.
- CISC. Усложненные команды процессора этой архитектуры описывают комбинированные действия.
- RISC. Здесь применен противоположный CISC подход, при котором выполнение команд занимает минимальное время и за счет большего количества регистров и отказа от косвенной адресации снижает задержки на программные переходы и упрощает оптимизацию исполняемого кода. Кроме того, процессоры с RISC-архитектурой отличаются более низкой ценой и меньшим энергопотреблением.
- MISC. Это дальнейшее развитие идей, заложенных в RISC-архитектуру. В ней активно используется стековая модель вычислений с небольшим количеством команд.
- VLIW –это процессоры, с заложенной в архитектуру параллельностью выполнения операций. В них задача распределения работы между исполнительными устройствами возложена на блок, входящий в состав процессора, что сокращает время простоя оборудования.
- Количество ядер процессора. Создание процессоров с двумя и более ядрами – это реализация идеи параллельности вычислений на основе мультипроцессорности.
- Кэш-память. «Быстрая» внутренняя память процессора увеличивает его производительность за счет параллельного обмена информацией с оперативной памятью и сокращения времени ожидания ввода-вывода. Многие процессоры имеют двух и трехуровневую кэш-память. Каждый следующий уровень имеет меньшее время доступа и еще больше ускоряет оперативный обмен данными.
Лучший процессор
Лучший процессор – тот, который в наибольшей степени соответствует выполняемым задачам и условиям использования.
Даже самый дорогой и мощный процессор может оказаться не соответствующим своему применению. Это утверждение не для всех очевидно и нуждается в пояснениях.
Быстродействие компьютера зависит не только от мощности процессора. Большое влияние на практическую производительность оказывает сбалансированность характеристик оборудования. Например, увеличение объема оперативной памяти часто дает такой же эффект, как и замена процессора на более быстрый, но обходится намного дешевле.
Далеко не всегда нужно стремиться к высокой производительности любой ценой.
Большинство вариантов использования компьютеров – это работа офисных приложений, несложная графика и нетребовательные к ресурсам мультимедиа. С этими задачами легко справляются компьютеры на основе процессоров Celeron. Для просмотра фильмов в хорошем качестве и для игр с 3D-графикой лучше выбрать процессор группы Pentium или iCore.
Для создания рабочих станций, серверов и многопроцессорных систем лучше выбирать многоядерные процессоры, ориентированные на оперативную память класса DDR3 и обладающие кэш-памятью большого объема. Например, это чипы группы Xeon.
Кроме того, нужно учитывать специфику решаемых задач. Некоторые модели процессоров имеют специализацию, заложенную в их архитектуру. Для решения вычислительных задач используются одни средства, для работы с графикой и видео – другие. Если создается оборудование для решения задач определенного типа, то и процессор следует подбирать с учетом этой специфики.
Рациональный выбор процессора способен заменить финансовые вложения и дать лучший результат, чем покупка дорогого оборудования, обладающего излишней мощностью, которая никогда не будет востребована.
Статья подготовлена специалистами компании ООО «АНД-Системс». Сайт компании — andpro.ru
Как работает процессор: простыми словами о сложном
Разбираемся в составляющих процессора и выясняем, как они работают
Все современное оборудование, от беспроводных наушников до сложнейших рабочих станций работает под управлением процессора. Каждый из нас знает, что процессор – это мозг устройства, он принимает команды от пользователя, делает вычисления и предоставляет результаты.
Но в тонкостях работы разбираются единицы. В этой статье мы постараемся доступно устранить подобный пробел в знаниях.
Транзисторы и кодирование информации
О том, что первые компьютеры занимали целые комнаты и даже отдельные здания, вы наверняка знаете. Вычисления они производили при помощи электромеханических реле и вакуумных ламп. Революция произошла в 60 годах, когда появились первые кремниевые транзисторы. Позже на их основе были разработаны интегральные монолитные схемы – прототипы современных процессоров.
В основе каждого транзистора находится кремниевая структура. Поскольку кремний – материал, обладающий свойствами полупроводника, в зависимости от условий он может пропускать электрический ток или нет. Прошедший заряд – это единица, отсутствие заряда – ноль. Именно с помощью этих двух значений строится бинарный код, с помощью которого компьютер общается с пользователем. Другую информацию он воспринимать не способен.
И 1, и 0 – это 1 бит информации, 8 бит – составляют байт. При помощи 8-значной комбинации нулей и единиц можно закодировать любое число от 0 до 255. И уже при помощи этих комбинаций присвоить соответствующие коды любым понятиям, значениям и явлениям.
Для того, чтоб процессор понимал пользователя, были придуманы логические вилки (операторы). Мы все их знаем из курса информатики в школе: и/или, если/то/иначе. Такие команды позволяют компьютеру исходя из заданных условий принимать решения.
Что такое техпроцесс?
Производительность процессора в рамках одной серии или семейства напрямую зависит от количества транзисторов: чем больше транзисторов, тем больше комбинаций составляется в единицу времени, и тем больше вычислений производит устройство.
У первого процессора Intel 4004, вышедшего в 1971 году было 2250 транзисторов. Pentium 4 вмещал 42 млн транзисторов. Современные процессоры Epyc от AMD оснащены 39,54 миллиардами кремниевых транзисторов.
С размером транзисторов тесно связано понятие – техпроцесс.
Техпроцесс каждый из производителей диктует по-своему. Кто-то размером транзистора целиком, кто-то размером только одной части – затвора. Третий вариант, который будет самым правильным – размер шага при производстве, то есть минимальным размером элемента, которым может оперировать разработчик при построении схемы. Так же следует учесть, что производители указывают наименьший элемент, тогда как некоторые электронные элементы, от которых невозможно отказаться, могут иметь размеры в десятки раз больше.
Тактовая частота
Это понятие зачастую является определяющим при покупке процессора.
Заряды, проходящие через транзисторы, создает тактовый генератор. Количество импульсов в единицу времени определяет скорость работы процессора. Однако он есть не в каждом процессоре. Может встречаться и другая конфигурация: на плате есть один или несколько тактовых генераторов, и они же могут быть опционально включены в микропроцессоры.
Обязательный элемент каждого процессора – частотный резонатор, он дает корректный отклик на запрос в случае исправности, или не дает, что сообщает системе о неисправности элемента.
В основе каждого генератора имеется кварцевый кристалл. Он генерирует импульс с частотой около 100 МГц. На текущий момент могут еще довольно часто встречаться генераторы с частотой 33 МГц, особенно на дискретных контроллерах, например звуковых платах, sata/hba адаптерах и интерфейсных usb/com расширителях. Чтоб увеличить частоту, генерируемые кварцем колебания проходят через специальные узлы – множители. Они позволяют повысить частоты при пиковых нагрузках или снизить их, если нагрузка уменьшается или компьютер находится в простое.
Кстати, множители – это те самые узлы, которые отвечают за динамическое увеличение частоты в нагрузке и ее снижении в простое. Также они могут позволять разгон в случае отсутствия на них блокировки на повышение сверх штатного значения. Подробнее с этой темой можно ознакомиться в нашей статье.
У процессоров с разблокированным множителем пользователь по собственному желанию может увеличить тактовые частоты. Современные процессоры могут разгоняться на 20–30 % и даже больше.
Архитектура
Архитектура процессора – это компоновка транзисторов. Транзисторы объединяются в массивы – ядра. Каждое ядро в процессоре может независимо от других выполнять различные задачи, для этого регулярно повторяется следующий цикл действий:
- Получение информации.
- Раскодирование.
- Выполнение вычисления.
- Фиксация результата.
Вычисления выполняются по специальным алгоритмам и инструкциям, которые хранятся во временной памяти процессора.
Чтоб увеличить производительность процессора, современные компьютерные ядра делятся на 2 потока. Каждый поток занимается выполнением отдельных вычислений, обеспечивая процессору многозадачность и уменьшая очереди задач.
Кэш: зачем процессору собственная память?
Жесткие и твердотельные диски, а также оперативная память работают недостаточно быстро, чтоб обеспечить все нужды процессора. Поэтому каждый микрочип оснащен собственной сверхбыстрой кэш-памятью, хранящей данные, с которыми в конкретный момент, работает процессор. Также в кэш-памяти размещаются инструкции по выполнению конкретных задач.
Что такое система на чипе?
Современные процессоры для телефонов, планшетов и ноутбуков уже давно перестали быть отдельными вычислительными центрами, специализирующимися на выполнении конкретных задач. Современный процессор – это целая система, которая включает собственно блоки для выполнения задач – ядра, а также модуль для отрисовки изображений – графический адаптер. Роль ядер выполняют исполнительные блоки, которых значительно больше, чем в CPU, и которые параллельно выполняют миллионы задач. Также некоторые системы могут содержать и дополнительные опции, например центр беспроводного соединения 5G или технологию передачи данных Thunderbolt.
- Все посты
- HDD диски (27)
- KVM-оборудование (2)
- Powerline-адаптеры (2)
- SSD диски (49)
- USB-носители (4)
- USB-хабы (3)
- Батареи к ИБП (4)
- Безопасность (3)
- Беспроводные USB адаптеры (2)
- Беспроводные роутеры (18)
- Блоки питания (14)
- Бумага (1)
- Веб-камеры (1)
- Вентиляторы корпусные (3)
- Видеокарты (53)
- Видеонаблюдение (6)
- Внешние диски (4)
- Гарнитуры (2)
- Графические планшеты (2)
- Дисковые полки (2)
- Док-станции (1)
- Звуковые карты (4)
- ИБП (22)
- Инструменты (1)
- Кабели и патч-корды (9)
- Картриджи
- Карты памяти (2)
- Клавиатуры (8)
- Колонки (3)
- Коммутаторы (13)
- Комплекты (клавиатура и мышь) (2)
- Компьютерная периферия (2)
- Компьютерные кресла (2)
- Компьютеры (50)
- Контроллеры и адаптеры (6)
- Корпусы (15)
- Ленточные носители (2)
- Маршрутизаторы (1)
- Материнские платы (30)
- Мобильные аккумуляторы
- Модули памяти (19)
- Мониторы (44)
- Моноблоки (8)
- МФУ (6)
- Мыши (9)
- Ноутбуки (39)
- Общая справка (61)
- Оптические приводы (2)
- Охлаждение процессорное (16)
- Панели (1)
- Планшеты (3)
- Плоттеры (1)
- Принтеры (6)
- Программное обеспечение (64)
- Процессоры (57)
- Рабочие станции (6)
- Распределение питания (1)
- Ретрансляторы Wi-Fi (3)
- Серверы (56)
- Сетевые карты (5)
- Сетевые фильтры (2)
- Сканеры (1)
- СХД (5)
- Телекоммуникационные шкафы (6)
- Телефония (4)
- Тонкие клиенты (2)
- Трансиверы (5)
- Умный дом (2)
Также вас может заинтересовать
Как работает процессор?
Кратко и доступно о том, как работает центральный процессор, регистры, память, инструкции и кэш, а также что такое УУ и АЛУ и зачем они нужны.
Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.
Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.
Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.
Два основных компонента процессора
Устройство управления
Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.
Существует два типа реализации УУ:
- УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
- УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.
УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.
Арифметико-логическое устройство
Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.
Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.
Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).
Схема арифметического полусумматора
Хранение информации — регистры и память
Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.
Регистры
Регистр — минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.
Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.
По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:
- RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
- JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
- T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
- D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.
Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.
Принцип действия RS-триггера
Память (ОЗУ)
ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.
Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.
Команды (инструкции)
Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:
- Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
- Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
- Информационные: move , input , outptut , load и store .
- Команды перехода: goto , if . goto , call и return .
- Команда останова: halt .
Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.
Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.
В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.
Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).
Тактирование процессора
Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.
Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.
Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.
Выполнение инструкций
Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.
Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:
- LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
- LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 ( 0010 ) в регистр B .
- ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A ). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
- STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .
Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.
Шина
Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.
Кэш
У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.
Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).
Поток инструкций
Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.
Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.
Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.