Центральный процессор компьютера — это чип, покрытый миллиардами крошечных транзисторов, который встраивается в материнскую плату устройства. Материнская плата связывает его со всеми остальными системами компьютера. Именно процессор производит все вычисления и логические операции, которые нужны для работы компьютерных программ.
По-английски процессор называется CPU (расшифровка — Central Processing Unit, «центральное обрабатывающее устройство»).
Процессор работает в команде с другими компонентами компьютера: памятью, видеокартой и периферийными устройствами. Выполняет вычисления и общается с другими компонентами процессор на языке бинарного кода: нулей и единиц.
Как устроен компьютер
Как работает процессор
Процессор получает инструкции от приложений, установленных на компьютере, и выполняет вычисления по этим инструкциям. Этот цикл состоит из трёх стадий:
Fetch (выборка команды). Процессор получает команду из оперативной памяти компьютера.
Decode (декодирование). Декодер расшифровывает полученную команду.
Execute (исполнение). Процессор выполняет нужную операцию.
Этот цикл впервые был описан американским математиком Джоном фон Нейманом в статье 1945 года «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» и получил название машинного цикла или, по-английски, fetch-decode-execute cycle.
Выполнив операцию, процессор может сохранить её результат в память компьютера или отдать команду другому компоненту — например, видеокарте или принтеру. Результатом работы процессора может стать запуск программы, выполнение формулы в Google Sheets, воспроизведение музыки, вывод документа на печать и т. п. А после машинный цикл запустится снова.
Из чего состоит процессор
Мы узнали, для чего нужен процессор, а теперь давайте разберёмся, как он устроен. Внутреннее устройство процессора также основано на работах фон Неймана. Вот из чего состоит процессор и за что отвечают его компоненты:
Устройство управления (УУ) предназначено для организации выполнения программ. Именно УУ отвечает за получение команд из ОЗУ и их декодирование.
Арифметическое логическое устройство (АЛУ) выполняет команды — арифметические действия и логические операции.
Регистры — это очень маленькие ячейки памяти, в которых временно хранятся промежуточные результаты вычислений. Регистры оптимизируют время обработки вычислений: благодаря им процессору не приходится постоянно обмениваться данными с ОЗУ.
Кэш — ещё один вид памяти, но более объёмный, чем регистры. Он хранит наиболее часто используемые данные и инструкции, чтобы ускорить доступ к ним.
Показали на рисунке, что делает процессор и его отдельные компоненты:
Что такое процессор и как он устроен
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Научись программировать на курсах разработки.
-
Выбирай из 130+ наставников по программированию.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Характеристики процессора и его производительность
Чтобы выбрать процессор при сборке компьютера, важно учитывать его назначение. Так, игровому компьютеру требуется более мощный процессор, чем ПК для работы с офисными программами: можно подобрать крутейшую видеокарту, но из-за слабого процессора игры всё равно будут лагать.
Как понять: тормозит процессор или видеокарта?
Когда с нагрузкой не справляется процессор, игровой процесс тормозит полностью. Объекты на экране двигаются медленно, как ленивец Блиц из «Зверополиса».
А если не хватает мощности видеокарты, то тормозит только картинка, а игровые действия продолжают происходить. Получается рассинхрон между тем, что видит игрок, и тем, что на самом деле происходит в игре.
Производительность процессора определяется его характеристиками, с которыми мы сейчас познакомимся.
Тактовая частота
Тактовой частотой называется количество операций (тех самых машинных циклов, о которых мы говорили выше), которые процессор выполняет за одну секунду. Измеряется она в герцах. Современные процессоры имеют тактовую частоту в несколько гигагерц, то есть могут выполнять миллиарды операций за одну секунду. Чем выше тактовая частота — тем быстрее будет работать процессор и тем больше он будет потреблять энергии и нагреваться. Поэтому процессору с высокой тактовой частотой потребуется более мощный кулер.
Количество ядер
Ядро процессора — это его «вычислительный центр», то есть блок, который производит арифметические и логические операции, и делает он это последовательно: одну за другой. Если заглянуть в историю развития процессоров, то мы узнаем, что первые модели были одноядерными, но затем появились двух-, четырёх- и даже 256-ядерные CPU. Наличие нескольких ядер позволяет процессору обрабатывать несколько команд параллельно, а значит, производительность CPU с несколькими ядрами будет кратно выше — в соответствии с количеством ядер.
Есть и другой способ запараллелить несколько вычислительных процессов — это многопоточность. Так называется способность ядра процессора обрабатывать два или более потока команд одновременно. Однако все потоки используют вычислительные мощности одного и того же физического ядра процессора, поэтому многопоточность не так важна для производительности CPU, как количество ядер.
Размер кэша
Выше мы уже рассказывали про кэш — память, в которой хранятся часто используемые данные и команды. Получение данных из кэша происходит быстрее, чем из оперативной памяти, поэтому чем объёмнее кэш процессора, тем выше его производительность.
Архитектура
Архитектура процессора — это способ организации выполнения задач, если говорить простыми словами. До 2021 года большинство процессоров использовали архитектуру RISC, но сейчас, благодаря Apple, в моду снова входит ARM. Процессор на ARM будет дороже, но ощутимо производительнее.
Техпроцесс
Технологический процесс — это размер транзисторов в процессоре в нанометрах (нм). Чем он меньше, тем производительнее процессор и тем меньше он выделяет тепла.
Тепловыделение
Тепловыделением процессора называют количество тепла, которое выделяет CPU во время работы. Измеряется оно в ваттах. Не стоит брать ноутбук, если тепловыделение его процессора больше 100 Вт: таким ноутбуком можно будет обогреть всю Сибирь. 😅 А вот для стационарного компьютера такое тепловыделение не страшно, можно будет полностью реализовать его потенциал.
Говоря о тепловыделении, стоит упомянуть и о защите процессора. Поскольку CPU — это ключевой компонент компьютера, производители и пользователи стремятся защитить его от повреждений. А самое вредное, что может произойти с процессором — это перегрев.
Чтобы CPU не перегревался, на компьютер устанавливают систему охлаждения — кулер (cooler). Его подбирают исходя из показателя тепловыделения процессора.
Кроме того, у процессора есть механизм самозащиты от перегрева, который называется троттлинг (throttling). Если нагрузка на CPU становится критической, то он начинает работать медленнее.
Вот мы и разобрались, для чего предназначен процессор. А если вы хотите не только понимать, как устроен компьютер, но и научиться мастерски обращаться с ним, быстро решать задачи с помощью программ и безопасно сёрфить в интернете — приглашаем на курсы компьютерной грамотности для детей и подростков в онлайн-школу Skysmart Pro.
