Строение процессора: Процессор (CPU) | ATLEX.Ru

Процессор (CPU) | ATLEX.Ru

Процессор

Процессор, он же микропроцессор, он же центральный процессор, он же центральное процессорное (обрабатывающее) устройство (ЦПУ), он же central processing unit (CPU) — как становится понятно из названия — основной элемент аппаратного обеспечения вычислительного устройства, с помощью которого происходит обработка информации. Именно на технические характеристики процессора обращают внимание при выборе компьютера или сервера, ведь чем выше требуется производительность, тем мощнее должен быть «камень». Да, такое название тоже используется, поскольку изготавливается процессор чаще всего из кристалла кремния.

Дальше рассмотрим подробнее, что такое процессор компьютера и для чего он нужен.

Функции процессора

Чтобы лучше понять назначение процессора, обратимся к его устройству. Обязательные составляющие: ядро процессора, состоящее из арифметико-логического устройства, внутренней памяти (регистров) и быстрой памяти (кэш), а также шины — устройства управления всеми операциями и внешними компонентами. Через шины в ЦПУ попадает информация, которую затем обрабатывает ядро.

Таким образом, в основные функции процессора входит:

1. обработка информации с помощью арифметических и логических операций;
2. управление работой всего аппаратного обеспечения компьютера.

Производительность оборудования зависит от характеристик процессора, о которых речь пойдет дальше.

ТТХ процессора

Тактовая частота означает число операций в секунду. Выполнение отдельных операций может занимать от нескольких долей такта до десятков тактов. Измеряется в мегагерцах (миллион тактов в секунду) или гигагерцах (миллиард тактов в секунду). Чем выше тактовая частота, тем быстрее ЦПУ обрабатывает входящую информацию.

Разрядность — количество битов (разрядов двоичного кода), обрабатываемое центральным процессором за единицу времени. Современные процессоры — 32- или 64-разрядные, то есть они обрабатывают 32 или 64 бита информации за один такт. Разрядность процессора также влияет на количество оперативной памяти, которое можно установить в компьютер. Только 64-разрядный процессор поддерживает более 4 ГБ ОЗУ.

Количество ядер — еще одна важная характеристика процессора. Современные ЦПУ могут иметь от одного до нескольких вычислительных ядер на одном кристалле. Одноядерные процессоры выполняют несколько задач не одновременно, а последовательно, при этом выполнение отдельных операций занимает доли секунды. Двухъядерный процессор способен выполнять две задачи одновременно, четырехъядерный — четыре и т.д., что позволяет с полным правом называть современные компьютеры многозадачными. С одной стороны, чем больше ядер у процессора, тем мощнее и производительнее становится компьютер. Но есть и нюансы. Так, если выполняемая на компьютере программа не оптимизирована под многопоточность, то и выполняться она будет только одним ядром, не позволяя в должной мере прочувствовать всю мощь устройства.

Размер кэш-памяти — другой параметр, от которого зависит производительность процессора. Это быстродействующая память внутри процессора, служащая буфером между ядром процессора и оперативной памятью и обеспечивающая ускоренный доступ к блокам обрабатываемой в настоящий момент информации. Кэш-память гораздо быстрее оперативной памяти, поскольку ядра процессора взаимодействуют с ней напрямую. Современные процессоры имеют несколько уровней кэш-памяти (L1, L2, L3). Первый уровень — хоть и незначительный по объему (всего сотни килобайт), но самый быстродействующий (и дорогой), так как находится на самом кристалле процессора и работает на его тактовой частоте. С первым уровнем взаимодействует второй — он больше по объему, что особенно важно при ресурсоемкой работе, но имеет меньшую скорость. Многие процессоры имеют и третий, «медленный», но еще больший по объему уровень кэш-памяти, который все равно быстрее оперативной памяти системы.

Это, конечно, далеко не полный перечень характеристик, но именно эти параметры оказывают наибольшее влияние на производительность вычислительного устройства, то, на что следует обращать пристальное внимание при выборе процессора.

Но кроме технических характеристик важно также учитывать, где будет использоваться ЦПУ. Устанавливать процессор для сервера в обычный персональный компьютер не имеет особого смысла — современные десктопные процессоры достаточно мощные и производительные, а стоят дешевле. А ставить процессор для компьютера в сервер в целях, например, экономии, — не очень хорошая идея. Почему? Рассмотрим дальше.

Серверные процессоры

От сервера требуется надежность и стабильная работа в режиме 24/7, и поэтому серверные процессоры тщательно тестируют на устойчивость к стрессовым условиям: высоким вычислительным и температурным нагрузкам.

Из-за требований надежности у процессора для сервера отсутствует возможность его разгона (повышения тактовой частоты), из-за которого существует риск преждевременного выхода ЦПУ из строя.

Важной особенностью серверного процессора является поддержка ECC-памяти (англ. error-correcting code — выявление и исправление ошибок). Ошибки памяти, накапливающиеся в круглосуточно работающих серверах, могут отрицательно влиять на стабильность работы. Технология коррекции «на лету» применяется в основном в серверных, а не десктопных процессорах.

Выбор процессора

Современный рынок ЦПУ представлен главным образом двумя крупными производителями — Intel и AMD. Процессоры Intel — дорогие, но имеют высокое качество и производительность. Серверная линейка представлена процессорами Xeon. В процессорах Intel реализована технология гиперпоточности (Hyper Threading, HT). Идея в том, что на каждое ядро направляется два виртуальных вычислительных потока и за счет этого возрастает производительность процессора.

Технологически процессоры AMD отстают от Intel, но стоят значительно дешевле. Часто в ЦПУ от AMD встроено видеоядро. Для серверов предлагается серия процессоров Opteron.

ATLEX.Ru предлагает в аренду в России или в Европе выделенные серверы с процессорами Intel Xeon Quad Core. Надеемся, что после данного материала вы без труда разберетесь с параметрами процессоров и выберете оптимальный сервер под свои задачи.

Устройство процессора, из чего состоит процессор компьютера

Сейчас полно информации в интернете по теме процессоров, можно найти кучу статей о том как он работает, где в основном упоминаются регистры, такты, прерывания и прочее. ..Но, человеку не знакомому со всеми этими терминами и понятиями достаточно трудно вот так «с лету» вникнуть в понимание процесса, а начинать надо с малого — а именно с элементарного понимания как устроен процессор и из каких основных частей он состоит.

Итак, что же окажется внутри микропроцессора, если его разобрать:

цифрой 1 обозначается металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений того, что находится за этой крышкой (тоесть внутри самого процессора).

Под номером 2 — находится сам кристалл, по факту являющийся самой важной и дорогой в изготовлении частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления (а это и есть самая главная функция процессора) и чем он сложнее, чем совершенней — тем мощнее получается процессор и тем дороже соответственно. Кристалл изготавливается из кремния. На самом деле процесс изготовления очень сложный и содержит в себе десятки шагов, подробнее в этом видео:

Цифра 3 — специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того она играет роль контактной площадки — на ее обратной стороне есть большое количество золотистых «точек» — это контакты (на рисунке их немного видно). Благодаря контактной площадке (подложке) обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, ибо напрямую хоть как нибудь воздействовать на кристалл не представляется возможным.

Крышка (1) крепится к подложке (3) с помощью клея-герметика, устойчивого к высоким температурам. Между кристаллом (2) и крышкой нет воздушного зазора, его место занимает термопаста, при застывании из нее получается «мостик» между кристаллом процессора и крышкой, благодаря чему обеспечивается очень хороший отток тепла.

Кристалл соединяется с подложкой с помощью пайки и герметика, контакты подложки соединяются с контактами кристалла. На этом рисунке наглядно показано как соединяются контакты кристалла с контактами подложки при помощи очень тонких проводков (на фото 170-кратное увеличение):

Вообще устройство процессоров разных производителей и даже моделей одного производителя может сильно разниться. Однако принципиальная схема работы остается прежней — у всех есть контактная подложка, кристалл (или несколько, расположенных в одном корпусе) и металлическая крышка для отвода тепла.

Так например выглядит контактная подложка процессора Intel Pentium 4 (процессор перевернут):

Форма контактов и структура их расположения зависит от сокета процессора и материнской платы компьютера (сокеты должны совпадать). Например на рисунке чуть выше контакты у процессора без «штырьков», поскольку штырьки находятся прямо в сокете материнской платы.

А бывает другая ситуация, где «штырьки» контактов торчат прямо из контактной подложки. Эта особенность характерна в основном для процессоров AMD:

Как уже упоминалось выше, устройство разных моделей процессоров одного производителя может различаться, перед нами яркий тому пример — четырехъядерный процессор Intel Core 2 Quad, который по сути представляет собой 2 двухъядерных процессора линейки core 2 duo, совмещенных в одном корпусе:

Важно! Количество кристаллов внутри процессора и количество ядер процессора — не одно и то же.

В современных моделях процессоров Intel умещается сразу 2 кристалла (чипа). Второй чип — графическое ядро процессора, по-сути играет роль встроенной в процессор видеокарты, тоесть даже если в системе отсутствует видеокарта, графическое ядро возьмет на себя роль видеокарты, причем довольно мощной (в некоторых моделях процессоров вычислительная мощь графических ядер позволяет играть в современные игры на средних настройках графики).

Вот и все устройство центрального микропроцессора, вкратце конечно же.

Архитектура ЦП

Arm — Arm®

Архитектура Arm представляет собой семейство архитектур вычислений с сокращенным набором команд (RISC) для компьютерных процессоров. Это самая распространенная процессорная архитектура в мире: за последние три десятилетия наши партнеры поставили более 250 миллиардов чипов на базе Arm в различных продуктах, от датчиков, носимых устройств и смартфонов до суперкомпьютеров. Преимущества архитектуры ЦП Arm включают:

• Интегрированная безопасность
• Высокая производительность и энергоэффективность
• Большая экосистема для глобальной поддержки
• Распространено на рынках и в разных местах

Архитектура ЦП Arm реализована с помощью широкого спектра микроархитектур для обеспечения совместимости программного обеспечения в широком диапазоне мощности, производительности и площади.

 

• Архитектура ЦП определяет базовый набор инструкций, а также модели исключений и памяти, на которые опираются операционная система и гипервизор.
• Микроархитектура ЦП определяет, как реализация соответствует архитектурному контракту, определяя конструкцию процессора и охватывая такие параметры, как: мощность, производительность, площадь, длина конвейера и уровни кэш-памяти.

Последние версии архитектуры Arm

Компания Arm работает со своими партнерами над развитием своей архитектуры и удовлетворением будущих потребностей. Armv9-A — это набор расширений архитектуры Armv8-A, являющийся частью непрерывной программы существенных улучшений архитектуры, которая будет развернута в течение следующих нескольких лет. Цель этих улучшений — помочь увеличить вычислительные возможности в таких областях, как цифровая обработка сигналов (DSP) и машинное обучение (ML), а также постоянно повышать безопасность и надежность наших систем.

 

Последними архитектурами для R-профиля и M-профиля являются Armv8-R и Armv8-M.

Читать справочные руководства

Armv9 — следующее поколение архитектуры Arm

Новая архитектура Armv9 станет передовым направлением для следующих 315 миллиардов чипов на базе Arm. Armv9-A, последняя версия архитектуры A-profile, обеспечивает еще более высокую производительность, чем когда-либо, и повышенную безопасность. Основные характеристики:

 

• Advanced SIMD и расширение Scalable Vector Extension 2 (SVE2)
• AArch42 и AArch 64
• Расширение управления сферой

Узнать больше

Гибкий и масштабируемый подход

Хотя Arm предлагает собственную реализацию архитектуры Arm с линейкой IP-процессоров Cortex и Neoverse, многие компании в ее глобальной экосистеме разрабатывают свои собственные реализации.

 

Существует три профиля архитектуры:

Диапазон IP-адресов процессора Arm Диапазон IP-адресов процессора Arm Диапазон IP-адресов процессора Arm

Профили архитектуры ЦП	Обеспечивает высочайшую производительность среди всех архитектурных профилей Узнать больше	Оптимизировано для систем с требованиями реального времени Узнать больше	Предназначен для небольших, маломощных, высокоэффективных устройств Узнать больше
Реализации	: Cortex-A, Neoverse и Cortex-X	: Cortex-R	: Cortex-M
Характеристики	Обеспечивает высочайшую производительность среди всех профилей архитектуры Высокая энергоэффективность Оптимизирован для работы с многофункциональными операционными системами	Оптимизировано для систем с требованиями реального времени	Предназначен для небольших, маломощных, высокоэффективных устройств
Последние версии	Armv9-A и Armv8-A	Armv8-R	Армв8-М
Варианты использования	Области сложных вычислительных приложений, такие как ПК, ноутбуки, смарт-телевизоры, серверы, сетевое оборудование, смартфоны и автомобильные головные устройства, облачные хранилища и суперкомпьютеры.	Требования к реагированию в режиме реального времени в критически важных для безопасности приложениях или приложениях, требующих детерминированного реагирования, таких как медицинское оборудование, рулевое управление, торможение и сигнализация транспортных средств, сетевое оборудование и оборудование для хранения данных, а также встроенные системы управления.	Приоритеты энергоэффективности, энергопотребления и размера. Процессоры безопасности, IoT и встроенные устройства, такие как носимые устройства, небольшие датчики, модули связи и продукты для умного дома.

 

Каждый профиль означает, что архитектуру можно оптимизировать для различных сред и вариантов использования. Система на кристалле (SoC) часто предназначена для питания определенного класса продуктов и включает в себя несколько процессоров, которые реализуют различные профили архитектуры для удовлетворения потребностей продукта в энергии, производительности и безопасности.

Откройте для себя Узнайте об архитектуре — наша библиотека вводных технических руководств поможет вам узнать больше об архитектуре Arm.

Другие архитектуры рук

Сопутствующие продукты

Silicon IP: ЦП

ЦП Arm предлагает самый широкий спектр процессорных ядер для удовлетворения всех требований к производительности, мощности и стоимости. Включает в себя передовую серию Cortex-A, серию Cortex-M со сверхнизким энергопотреблением, серию Cortex-R для работы в реальном времени, серию Neoverse для серверов, серию SecurCore и решения для машинного обучения.

Learn Ｍore

Silicon IP: графика и мультимедиа 

Arm Mali media IP предлагает высокопроизводительную и энергоэффективную обработку мультимедиа на большом и постоянно растущем числе мобильных и потребительских устройств, включая смартфоны, планшеты, телевизоры и носимые устройства.

Узнать больше

АЛУ + Регистры + УУ

• Мастер разделов
• Диспетчер разделов
• Архитектура компьютерного процессора/ЦП: ALU + регистры + CU

Хелен | Подписаться | Последнее обновление 06 апреля 2022 г.

Какая архитектура у моего процессора? Многие пользователи компьютеров, возможно, когда-либо задавались этим вопросом. Теперь, здесь, в этой статье, вы сами найдете ответ. Чтобы узнать больше о ЦП или других компонентах компьютера, рекомендуется посетить веб-сайт мастера разделов MiniTool.

Что такое архитектура ЦП？

Архитектура ЦП относится к конструктивной структуре центрального процессора, включая набор микросхем процессора. Двумя основными компонентами архитектуры ЦП являются ISA (архитектура набора инструкций) и микроархитектура , которая является реализацией ISA.

Набор инструкций определяет разработанные им основы архитектуры ЦП (базовые характеристики), такие как количество регистров, доступные инструкции, порядок следования байтов и синтаксис кодов операций, интерфейс/контракт между ЦП (аппаратное обеспечение) и программистом (программное обеспечение). Если внутреннее узкое место не устранено, ISA не повлияет на производительность процессора, на которую влияет микроархитектура. Например, такими типами являются процессоры X86, MIPS и ARM.

Архитектура микропроцессора определяет, как схема, контролируемая ISA, применяется в реальной архитектуре процессора (внутренняя работа процессора), включая Sandy Bridge, Skylake, zen и т. д., которые являются частью x86.

Несмотря на то, что каждый из этих проектов имеет совершенно разную производительность, они были выпущены в разное время и даже разработаны разными производителями, все они являются частью одного семейства x86 и могут выполнять один и тот же код. Все эти архитектуры понимают определенную инструкцию (OPcod) как одно и то же.

Что делает процессор?

Функция ЦП (центрального процессора), также известного как процессор, центральный процессор или главный процессор, представляет собой электронную схему компьютера на материнской плате, которая выполняет инструкции, исходящие от компьютерной программы. Он выполняет основные арифметические, логические, управляющие операции, а также операции ввода-вывода (I/O), заданные инструкциями в программе.

Традиционно термин «ЦП» относится к блоку обработки процессора и блоку управления (CU), который отличает основные части компьютера от внешних компонентов, таких как основная память и схемы ввода-вывода.

Это видео подробно объяснит, как работает (формируется) ЦП.

Архитектура ЦП

Основными компонентами ЦП обычно являются арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры процессора и блок управления. ALU выполняет арифметические и логические операции, регистры передают операнды в ALU и сохраняют результаты операций ALU, в то время как CU организует выборку (из памяти) и выполнение инструкций, направляя скоординированные операции ALU, регистров и других компоненты.

Современная новая архитектура ЦП представляет собой единую интегральную схему (ИС) металл-оксид-полупроводник (МОП), называемую микропроцессорами, микроконтроллерами или системами на кристалле (SoC).