5
- ВКонтакте
- Telegram
- РЎРєРѕРїРСвЂВВВВВВВВровать ссылку
Введение
CPU (Central Processor Unit) или просто центральный процессор это главный вычислительный узел (мозг) системы. Слово «центральный» в его названии присутствует не случайно: в любой схеме процессор действительно является центром, осуществляя связь всех устройств в системе между собой, а так же их связь с программной оболочкой. Основа центрального процессора –вычислительные ядра. Вся работа ПК представляет из себя вычисления, то есть любая задача, которую выполняет компьютер, на самом деле ни что иное как математический алгоритм. Однако сам по себе алгоритм, это лишь функция, которая приобретает смысл при наличии переменных. Переменные это данные, которые должны где то храниться, поэтому в процессоре так же присутствует кэш-память. Кроме того, для реализации функции «центрального связующего звена» системы процессору так же необходимы «средства связи» с другими устройствами, именуемые интерфейсами. Среди них обычно находятся контролеры памяти, шины для связи с хабами (мостами), контролер PCI-E.
Сам процессор наверняка видели многие: квадратная печатная плата зеленого цвета, и металическая крыжка сверху, однако самое интересное скрыто внутри.
Под крышкой находится кремниевый кристалл. Его размер всего пару квадрантных сантиметров, но в нем спрятаны миллиарды транзисторов. Давайте заглянем еще глубже.
На рисунке изображено внутреннее устройство процессора. Мы можем видеть здесь уже рание упомянутые узлы, и теперь пришло время поглубже рассмотреть принцип их работы и назначение.
Не смотря на то, что вычислительные ядра (Core) обычно рассматриваются как единый модуль, внутри ядра спрятанны множество узлов: это кэш память 1 и 2 уровня, различные блоки для вычислений по разным алгоритмам, а так же свой интерфейс ввода/вывода.
По центру мы можем видеть достаточно большое пространство занимаемое кэшем 3 уровня. В отличии от 1 и 2 уровней, память 3 уровня является общей для всех ядер, что позволяет им обмениваться информацией при параллельных вычислениях, а так же быстрее принимать новые задачи по завершению предыдущих.
Справа и с низу мы можем видеть контролеры основных интерфейсов. Для того чтобы понять зачем они нужны давайте рассмотрим схему взаимодействия CPU с другими основными элементами ПК.
На картинке изображена блок-схема чипсета Z77. Чипсет это набор системной логики которая разрабатывается для работы с конкретным семейством процессоров. Включает в себя шины доступа и интерфейсы для подключения других устройств. Чипсет является основой любой материнской платы.
На изображении хорошо видно что центрами схемы являются процессор и PCH (Platform Controller Hub – связующий узел для вторичных устройств ПК, обеспечивающий им канал связи с процессором).
Теперь рассмотрим основные контролеры процессора.
IMC (Integrated memory controller), или контролер памяти. Обеспечивает доступ и управление оперативной памятью. Обычно контролер памяти является многоканальным, что означает возможность работы с несколькими модулями памяти одновременно. В нашем примере контролер имеет 2 канала, что позволяет ему одновременно работать с 2мя модулями типа DDR3. Одновременная работа позволяет получить кратный прирост пропускной способности.
PCI-E контролер осуществляет поддержку PCI-Express интерфейса, который является наиболее быстрым из всех присутствующих в системе. Данный интерфейс используется для подключения широкого ряда устройств, таких как видеокарта, звуковая карта, RAID-контролер, и прочих. Основной характеристикой PCI-E контролера является количество поддерживаемых линий. Одна линия (или полоса пропускания) PCI-E обеспечивает до 16Gbit (версия 3.0) пропускной способности с процессором. Один слот может снабжаться несколькими каналами, вплоть до 16.
DMI. DMI является одним из примеров интерфейса связи с PCH. В разных системах используются разные мосты и разные шины, однако общий смысл один и тот же: предоставить универсальный интерфейс связи с процессором для массы различных устройств. Большинство устройств в системе, такие как контролеры USB, SATA, Ethernet, Audio и многие другие не требуют сверх высоких пропускных способностей, но за счет их количества и частоты обращения к ним, процессор не может содержать в себе достаточно логики чтобы общаться с каждым напрямую. Для этой цели существует специальный узел, через который все эти устройства связываются с процессором.
Теперь когда мы рассмотрели устройство процессора, пора познакомиться с принципом его работы.
Как любое цифровое устройство, процессор работает на определенной частоте. Частота это количество выполняемых операций в секунду. Как не сложно догадаться, чем больше операций в секунду выполняет процессор, тем более он производителен. Большинство современных процессоров работают на частоте от 2 до 4 ГГц. Так как в системе очень много различных устройств, и все они работают с определенной, при этом разной частотой, их необходимо синхронизировать. Для этого существует основной частотный генератор (обычно именуемая BCLK), который обычно генерирует частоту в 100МГц, а все остальные частоты, в том числе и частота ядер процессора, получаются в результате умножения BCLK.
Для того чтобы лучше понять как работает процессор, и для чего он нужен, рассмотрим его работу на конкретном примере. Что может быть для нас ближе чем компьютерные игры? Возьмем их в качестве примера.
Когда мы играем в игры компьютер выполняет массу операций: это и звук, и графика, и физика, и ввод/вывод информации на переферийные устройства, и многое другое. Однако, как мы уже говорили, все эти операции для компьютера не более чем математический алгоритм. Игра представляет собой некоторое приложение. В первую очередь его необходимо загрузить. Для этого ядро операционной системы генерирует запрос на чтение данных из памяти (жесткого диска). Процессор посылает соответствующий запрос на PCH, откуда он попадает на SATA контролер, и дальше на жесткий диск, который в свою очередь считывает нужную информацию. После этого информация попадает в оперативную память, которая так же подключена к процессору. После этого становится возможным запустить алгоритм. Начинаются вычисления самой программы, того что происходит в игре. Теперь необходимо показать картинку на монитор, отрисовкой изображения и выводом его на монитор занимается видеокарта, однако она ничего не знает о том, что ей нужно рисовать. В начале процессор из оперативной памяти берет текстуры и отправляет их в память видеокарты. Затем запускает графический движек, с помощью которого он начинает создавать сцену. После того как сцена создана и положение всех объектов на ней известно, сцена отправляется для отрисовки на видеокарту. Необходимо так же воспроизвести звук: для этого процессор запускает аудио движек, и начаинет отслеживать события, которые должны приводить к воспроизведению звука. Как только такое событие наступает, процессор сообщает звуковой карте какой аудио файл нужно воспроизвести. И наконец самое главное: процессор начинает получать вводную информацию от пользователя: это движения мыши, нажатие кнопок на клавиатуре, или геймпаде, или команда с любого другого контролера. Каждое новое действие игрока приводит к изменению происходящего в игре, что запускает новые алгоритмы, и так продолжается пока вам не надоест.
Подводя итоги можно сказать что процессор это крайне многофункциональное устройство, которое следит за всем происходящим в системе, без него не обходится ни одна операция, и потому он по праву называется центральным. Ни одно устройство не начнет работать пока не получит от него команду, а значит его быстродействие является главным параметром быстродействия всей системы.
Работа над материалом: DartMaul