Мы все знаем, что центральный процессор – это небольшое электронное устройство, от которого зависит производительность компьютера, ноутбука, смартфона и т.д. Если говорить точнее – это устройство для обработки данных, отвечающее за управление другими элементами любого компьютера.
В современном представлении ЦП – небольшой чип прямоугольной формы, выполненный из кристаллического кремния. По его площади размещаются транзисторы. Сам чип закрыт в пластиковый или керамический корпус, с которым его соединяют специальные проводки.
Всегда ли устройство было таким? Нет. Перед тем, как переходить к истории развития, стоит разобраться в особенностях конструкции и работы CPU.
Что есть у процессора
У чипа есть такие физические и нефизические составляющие:
- Тактовая частота. Показатель указывает на скорость работы, подсчитывается в герцах. Частота отвечает за количество операций, которое устройство выполняет за секунду. Тактовая частота делится на два показателя. Первый – это внутренняя частота. Она отвечает за скорость, с которой устройство выполняет внутренние команды. Второй показатель – внешняя тактовая частота, отвечающая за скорость обращения к ОЗУ (оперативная память).
- Разрядность. Если говорить просто – это количество информации, которой центральный процессор обменивается с ОЗУ. Чем выше разрядность, тем быстрее устройство справляется с выполнением команд.
- Энергопотребление и теплоотдача. Уровень энергопотребления зависит от задач, которые выполняет ЦП и обозначается аббревиатурой ACP. Теплоотдача – это количество тепла, которое охлаждающая система может отвести от ЦП. Обозначается аббревиатурой TDP. Показатели взаимосвязаны – чем больше энергии потребляет процессор, тем выше уровень теплоотдачи.
- Рабочая температура. Измеряется по степени нагрева поверхности чипа. В норме температура колеблется в пределах 54-100°. Меняется она в зависимости от качества охлаждения и нагрузки на устройство.
- Потоковые ядра. Многоядерные процессоры появились не так давно. Ядра отвечают за производительность. Так, для стандартных домашних задач достаточно 2 ядер, для пользования профессиональным софтом – 4 ядер, для гейминга нужно 4-6 ядер.
- Графическое ядро. Это дополнительный, то есть необязательный элемент чипа. Встроенное в центральный процессор графическое ядро отвечает за выведение изображение на экран компьютерной техники.
- Кэш-память. Важная характеристика, представляющая собой буфер для хранения данных. В буфер попадают данные, с которыми ЦП регулярно взаимодействует или к которым он недавно обращался.
Внешне устройство состоит из квадратного или прямоугольного корпуса, контактных площадок и шариков припоя. Для интеграции в материнскую плату компьютера предусмотрен сокет.
Как работает процессор
Работа устройства заключается в том, что оно считывает последовательность команд, которые есть в его памяти, и выполняет. При этом у команды есть операндная и операционная составляющая. Операндная дает указания и отвечает за то, с какими данными должен работать чип в конкретный момент. Операционная составляющая дает команды компьютерной, то есть операционной системе и не связана с ЦП напрямую.
Выполнение команд происходит в 5 этапов:
- Выработка.
- Дешифровка данных.
- Исполнение команды.
- Обращение к оперативной памяти чипа.
- Сохранение результата.
Процессор в компьютере может по-разному обрабатывать данные. Варианта обработки три:
- Линейная, когда команды выполняются поочередно, в порядке записи.
- Разветвляющаяся – команды начинают выполняться после обработки условий разветвления. То есть не поочередно, а по приоритетности.
- Циклическая, при которой повторяется один и тот же набор действий.
Процессоры выполняют ряд основных задач:
- математическая обработка данных, основанная на арифметико-логических принципах;
- перемещение информации между разными типами памяти;
- принятие решения об исполнении команд, непосредственно исполнение и при необходимости переключение между наборами команд;
- взаимодействие с оперативной и внутренней памятью.
Описанная конструкция и рабочие принципы были характерны для микросхемных устройств не всегда.
История развития процессоров для ПК
Условно развитие устройство можно разделить на четыре этапа.
Этап 1: 1940-1950-е годы
Первый процессор работал на базе электромеханического реле и вакуумных ламп. За память отвечали ферритовые сердечники. Работали такие ЦП достаточно медленно, при этом отличались высоким уровнем выделения тепла и были мало надежными.
Этап 2: середина 1950-х – 1960-е годы
Начиная с середины 50-х годов инженеры стали внедрять в конструкцию транзисторы, которые используются и сейчас. Устанавливали транзисторы на платы, которые близки к современному виду, а сами платы монтировали в стойки. Благодаря этому производительность и долговечность устройств выросла, а энергопотребление, наоборот, уменьшилось.
Этап 3: середина 1960-х и до 1970-х годов
На этой стадии инженеры начали использовать микросхемную архитектуру. Изначально в конструкции микросхемы были только простые транзисторы. С развитием технологий начинается использование микросхем, каждая из которых представляла собой отдельную цифровую составляющую.
К концу 1960-х появился центральный процессор, микросхема которого содержала отдельные функциональные блоки. В функциональных блоках предусматривались такие элементы: устройство для арифметически логических операций, компоненты микропрограммирования, устройства для обработки команд и взаимодействия с шинами данных, регистры. Это позволило сделать значительный рывок в плане производительности.
Этап 4: 1970-е годы
Технологический прорыв, в результате которого появились большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СИС, соответственно), привел к появлению микропроцессора. Это компактная микросхема, кристалл которой содержал все важные для работы устройства блоки и элементы.
Первый микропроцессор выпустила компания Intel в 1971 году. Это было 4-разрядное устройство, устанавливающееся в микрокалькуляторы. Конечно, до современных 64-битных моделей ему было далеко, но именно с этого момента процессоры приобрели конструкцию и технологии, сохраняющиеся по сей день.
Изначально микропроцессор отличался от классического большого вычислительного устройства. Он был менее надежным, из-за чего не устанавливался в суперкомпьютеры. Вытеснить старших собраться и стать синонимом к слову «процессор» микро-устройству удалось только в первые годы 1980-х. Именно с приходом микропроцессоров появились привычные нам стационарные компьютеры и ноутбуки.
Развитие первых общедоступных микропроцессоров
Мы уже отметили, что в привычном нам виде центральные процессоры начала выпускать компания Intel в 1971 году. Первой моделью стала 4-разрядная Intel 4004. Тактовая частота была смешной, по сравнению с цифрами, которые мы видим в характеристиках устройство сейчас, – 92,6 кГц. При этом стоимость Intel 4004 составила 300$.
На смену первой модификации пришла модель Intel 8080. Несложно догадаться, что это уже был 8-разрядный ЦП. Чуть позже вышла его 16-разрядная модификация – Intel 8086, которая и стала основной архитектуры современных микросхемных устройств.
Одна из самых востребованных модификаций 16-битной версии – Intel 80286, которая могла работать в защищенном режиме с 24-разрядной адресацией. Благодаря этому удалось увеличить память устройства до 16 Мб.
Самый значимый рывок произошел в 1985 году. Тогда в продажу вышли процессоры Intel 80386. От предшественников их отличала поддержка защищенного режима работы с 32-битной адресацией, механизм виртуальной памяти и возможность использования до 4 Гб оперативной памяти.
Особенности архитектуры
Процессор в компьютер строится на базе определенной архитектуры. За время развития устройств появилось большое количество архитектур. Архитектура – это то количество компонентов микроархитектуры, которое получает вычислительная машина. Архитектуры разрабатывались, использовались и исчезали, когда на смену приходили новые вариации.
Тем не менее, некоторые вариации по-прежнему используются. Например, Intel x86. Эта архитектура изначально принесла пользователям 32-битные процессоры, а после и современные 64-битные
Многоядерные вычислительные машины
Несмотря на смену архитектур и развитие технологий в целом, до 2001 года устройства работали на базе одного ядра. То есть в одном корпусе, на одном или нескольких кристаллах, содержалось всего одно вычислительное ядро. Его мощности хватало на обеспечение производительности всего устройства.
В 2001 году компания IBM представила процессор с двумя ядрами – POWER4. Эта и последующие модификации других производителей не предназначались для установки в пользовательские персональные компьютеры. Настоящая эра многоядерных вычислительных машин началась в 2005 году. Тогда компания AMD выпустила двухъядерный процессор для ПК – Athlon 64 X2. Оба ядра располагались на одном кристалле.
Компания Intel пошла немного дальше и в 2006 году показала первый двухъядерный ЦП для мобильных устройств. Модель вышла 5 января. Спустя полгода, то есть в ноябре 2006 года, Intel анонсировали 4-ядерный процессор. Правда модель была выполнена в виде сборки из двух кристаллов, на каждом из которых размещалось по 2 ядра. Это был Intel Core 2 Quad.
Полноценный 4-ядерный центральный процессор представила компания AMD год спустя. В октябре 2007 года она продемонстрировала пользователям устройство, все 4 ядра которого размещались на одном кристалле.
Сейчас в массовом доступе есть чипы с 2, 4 и 6 ядрами. В продажу начинают также поступать восьмиядерные модификации, но пока они мало востребованы. Мощности 2-6 ядер достаточно для выполнения определенного круга команд.
