Центральный процессор
Центральный процессор (CPU) — это электронная схема, которая выполняет инструкции, составляющие компьютерную программу. Центральный процессор осуществляет арифметические, логические, управляющие операции и операции вывода (I/O), указанные инструкциями в программе[1]. В этом случае он контрастирует с внешними компонентами, такими как основная память и схемы ввода-вывода, а также специализированными процессорам (GPU). Конструкция процессоров менялась с течением времени, но их фундаментальное функционирование остается практически неизменным. Основные компоненты центрального процессора включают арифметико-логический блок (АЛУ)[2], который выполняет арифметические и логические операции, регистры процессора, которые передают операнды в АЛУ и сохраняют результаты операций АЛУ, и блок управления, который управляет извлечением (из памяти), декодированием и выполнением (инструкций), направляя скоординированные операции ALU, регистров и других компонентов.
В настоящее время процессоры наиболее широко используются в виде интегральных схем в виде микропроцессоров[3] и микроконтроллеров во встроенных системах (например, в стиральных машинах, DVD-плеерах, смартфонах и т. д.).
В более раннем использовании термин «процессор» понимался как компонент (полупроводниковый чип в пластиковом корпусе, который вставляется в гнездо на плате), так и вычислительный логический блок. Однако сегодня многие микропроцессоры имеют несколько так называемых процессорных ядер, причем каждое ядро само по себе представляет собой (в значительной степени) отдельный логический блок. Сегодня под термином процессор обычно понимается компонент; если имеется в виду логический блок обработки данных, то обычно говорят о процессорном ядре.
Основная информация
Многие процессоры используют для управления бытовыми приборами, промышленными устройствами и т. д. В мэйнфреймах (англ. mainframes) раньше использовались собственные процессорные архитектуры производителей, такие как IBM (PowerPC), процессор Cell или SUN (процессор SPARC); сегодня используются адаптированные версии распространенных моделей процессоров для компьютера.
Процессоры для встраиваемых систем занимают около 90 процентов рынка процессоров, причем 80 процентов из них представляют собой так называемые микроконтроллеры, которые помимо собственно процессора содержат другие функции (например, специальные аппаратные интерфейсы или непосредственно интегрированные датчики). Только около 10 процентов используются на персональных компьютеров, рабочих станциях или серверами[4].
История создания первых кристаллических процессоров
Intel 4004
Первыми однокристальными микропроцессорами считаются процессоры 4-битного Intel 4004, вышедшие 15 ноября 1971 года. Intel только начинает свой путь развития, их создатели Роберт Нойс, Эндрю Гроув, Гордон Мур потратили много сил на процесс развития. С помощью итальянского физика Федерико Фаджина инженерам компании удалось разместить ключевые компоненты на одном чипе и создать микропроцессор 4004.
Intel 4004 производился по 10-мкм техпроцессу, насчитывал 2250 транзисторов и работал на частоте 108 кГц (проводил 92 600 операций в секунду).[5]
Intel 8080
В 1974 году Intel выпустила усовершенствованную версию 8-битного микропроцессора Intel 8080. Его производство было выполнено по новому 6-мкм техпроцессу с использованием технологии NMOS, позволяющей разместить 4758 транзисторов на кристалле. Тактовая частота составляла 2,5 МГц объем памяти — 64 Кб. На основе процессора Intel 8080 компания MITS создала микрокомпьютер Altai-8800.[6]
Intel 8086
В начале 1978 г. компания Intel выпустила первый 16-битный микропроцессор 8086. Его разработка велась более двух лет. Процессор производился по 3-мкм техпроцессу, содержал 29 000 транзисторов. Объем памяти достиг 1 Мб. На частоте 4 МГц — 10 МГц, разрядность регистров и шины данных была 16 бит, а разрядность адреса — 20 бит.
Motorola 68000
Серия CISC-микропроцесоров Motorola 68000 была представлена в 1979 году. Кристалл имел 32-битное ядро, но работал посредством 16-битных шин данных и 24-разрядной шиной адресов. Его частота составляла 8 МГц — 20 МГц, а количество транзисторов насчитывало 68 000 штук. CPU производился в форм-факторе DIP с 64 контактами. Однако существуют и модели с разъемами LCC, PGA. Он стал популярен среди многих компаний и использовался в различных ПК. Наиболее известными являются компьютеры Apple.
Intel i386
В 1985 году вышел 32-битный процессор с архитектурой x86 третьего поколения Intel 80386 (или i386). Производился по 1,5-мкм — 1,0-мкм техпроцессу. Тактовая частота составляла 12 МГц — 40 МГц.
Производительность
Производительность или быстродействие процессора зависит, среди многих других факторов, от тактовой частоты (обычно задается в кратных герцах) и количества инструкций за такт (IPC), которые в совокупности являются коэффициентами для количества инструкций в секунду (IPS), которые может выполнять процессор. Многие сообщенные значения IPS представляли «пиковые» скорости выполнения искусственных последовательностей команд с небольшим количеством ответвлений, в то время как реалистичные рабочие нагрузки состоят из сочетания инструкций и приложений, выполнение некоторых из которых занимает больше времени, чем других. Производительность иерархии памяти также сильно влияет на производительность процессора, что практически не учитывается при вычислениях MIPS. Из—за этих проблем были разработаны различные стандартизированные тесты, часто называемые «бенчмарками» для этой цели, такие как SPECint, чтобы попытаться измерить реальную эффективную производительность в часто используемых приложениях.[7]
Вычислительная производительность компьютеров повышается за счет использования многоядерных процессоров, что, по сути, заключается в объединении двух или более отдельных процессоров (в этом смысле называемых ядрами) в одну интегральную схему. В идеале двухъядерный процессор должен быть почти в два раза мощнее одноядерного. На практике прирост производительности намного меньше, всего около 50 %, из-за несовершенных программных алгоритмов и реализации. Увеличение количества ядер в процессоре (например, двухъядерный, четырехъядерный и т. д.) Увеличивает рабочую нагрузку, с которой можно справиться. Это означает, что процессор теперь может обрабатывать многочисленные асинхронные события, прерывания и т. д. что может негативно сказаться на работе процессора при перегрузке. Эти ядра можно рассматривать как разные этажи перерабатывающего предприятия, где каждый этаж выполняет свою задачу. Иногда эти ядра будут выполнять те же задачи, что и соседние с ними ядра, если одного ядра недостаточно для обработки информации.
Из-за специфических возможностей современных процессоров, таких как одновременная многопоточность и uncore (это термин, используемый Intel для описания функций микропроцессора, которых нет в ядре, но которые должны быть тесно связаны с ядром для достижения высокой производительности), которые предполагают совместное использование фактических ресурсов процессора с целью увеличения загрузки, мониторинг уровней производительности и использования оборудования постепенно стал более сложной задачей. В качестве ответа некоторые процессоры реализуют дополнительную аппаратную логику, которая отслеживает фактическое использование различных части центрального процессора и предоставляет различные счетчики, доступные программному обеспечению; примером может служить технология Intel Performance Counter Monitor.
Мобильные процессоры
В последние годы спрос на ноутбуки с процессорами ARM растет: если в 2020 году они занимали лишь 2,2 % рынка, то в конце 2022 года этот показатель составил уже 14,9 %[8]. Главная разница между процессорами ARM и Х86 заключается в меньшем энергопотреблении, поэтому ноутбуки на его основе могут работать значительно дольше от одного заряда аккумуляторов; второе преимущество — они существенно меньше греются во время работы. Это дает возможность не беспокоиться за перегрев ноутбука. В Windows 10 поддержка ARM-решений была реализована на базовом уровне, в более новой Windows 11 ситуация значительно улучшилась.[9]
Примечания
- ↑ Энциклопедия процессорных терминов. IXBT.com.
- ↑ Процессор. Основные компоненты и их назначение. Perscom.ru.
- ↑ Развитие встраиваемых систем. Радиосхемы.
- ↑ Поддержка многоядерных процессоров во встраиваемых системах. Открытые системы.
- ↑ Эволюция процессоров. Часть 1: 8-битная эпоха. Ferra.ru (13.06.2014 г.).
- ↑ Что такое процессор? Основные характеристики процессоров. pc.ru.
- ↑ Производительность процессора и в чем она измеряется. infotechnica.ru.
- ↑ Ноутбуки на Arm лучше перенесут спад на рынке ПК, а через несколько лет станут популярнее моделей на AMD. 3dnews.ru.
- ↑ Господству AMD и Intel приходит конец из-за устаревшей архитектуры процессоров.. Cnews.ru.
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!