4.2. Процессор

Процессор — базовая микросхема компьютера, в которой производится задаваемая программой обработка данных. В компьютере есть много других микросхем, и в каждой из них осуществляется обработка каких-то служебных данных, нужных для его работы. Но все данные, с которыми имеет дело пользователь компьютера, обрабатываются только в процессоре.

Все данные и команды в процессоре существуют в виде машинного кода, то есть последовательности нулей и единиц. Физически это соответствует наличию или отсутствию напряжения, или заряда. Ничего другого в процессоре нет. Буквы, числа, рисунки и все остальное поступает в процессор только в виде последовательности нулей и единиц.

Конструктивно процессор состоит из миллионов, даже миллиардов ячеек, называемых также регистрами. Их размеры очень малы, здесь используются нанотехнологии.

Совокупность всех возможных команд над данными, которые может выполнить процессор, образует систему команд процессора.

Скажем, в обычных калькуляторах имеется микросхема – «процессор» из четырех команд: сложение, вычитание, умножение, деление. В какой-нибудь стиральной машине тоже присутствует микрочип с ограниченным набором команд. Ну а современные процессоры содержат свыше 1000 различных команд, арифметических и логических.

Процессоры для персональных компьютеров производят только 2 компании: Intel и AMD. К продукции Intel относятся процессоры семейств Pentium, Celeron, Xeon. К AMD относятся Athlon, Duron.

Раньше и другие компании выпускали процессоры для ПК, но сейчас эти процессоры неконкурентоспособны и используются либо для техники более низкого уровня (калькуляторов, мобильных телефонов, переводчиков и пр), либо в многопроцессорных системах суперкомпьютеров. В современных суперкомпьютерах соединяются вместе сотни, тысячи, даже сотни тысяч процессоров. Но, как ни странно, требования к этим процессорам менее жесткие, чем к ПК.

Важнейшие параметры процессоров.

1. Тактовая частота. Это самый главный параметр. Чем выше частота тактов, с которой работает процессор, тем больше команд он может исполнить в еди­ницу времени, тем выше его производительность. Как уже говорилось, все процессы в компьютере занимают определенное количество тактов, и чем выше задаваемая тактовая частота, тем быстрее работает компьютер. Генератор тактовой частоты дает чуть более 1 гигагерца, а в процессоре можно провести внутреннее умножение частоты на коэффициент примерно 3,5 (поскольку он меньше по размерам, чем материнская плата). Получается максимум 3,6 Ггц.

Много это или мало? Население Земли составляет примерно 7 миллиардов человек, можно сказать, 7 гигачеловек. Таким образом, за две секунды современный процессор производит количество операций, превышающее население Земли. Вот откуда происходят многие великолепные возможности современной компьютерной техники!

За 30 лет, прошедших с момента изобретения процессоров их производительность сильно выросла. В 1981 году процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты про­цессоров достигают 3,6 Ггц. Это рост примерно в 1000 раз.

К сожалению, как уже говорилось, дальнейший рост производительности невозможен: его ограничивает скорость света. Но определенная возможность роста найдена. Сейчас ПК все больше переходят на архитектуры с двумя и более процессорами, с проведением параллельных вычислений. Одну часть работы делает один процессор, другую часть – в то же время другой. Потом результаты объединяются. В результате скорость обработки получается выше, чем на одном процессоре.

2. Разрядность процессора. Показывает, сколько бит данных по параллельной шине он может принять и обра­ботать в своих регистрах за один такт.

Первые процессоры были 16-разрядными. То есть, к ним подходило 16 параллельных коммуникаций, и они могли за один такт обработать 16 бит данных. Затем перешли на 32-разрядную архитектуру. Сейчас же большинство компьютеров выпускаются с 64-разрядной шиной данных. То есть, произошел 4-х кратный рост только за счет повышения разрядности.

3. Кэш-память.

Это сверхоперативная память, недоступная пользователю и находящаяся внутри процессора (слово cache, означает тайник). Основная задача кэш-памяти – умень­шить количество обращений к оперативной памяти, потому что обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, в том числе и с оперативной памятью.¹ Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Удачное обращение в кэш-память называют «попаданием в кэш».

Нередко кэш-память распределяют по двум и более уровням. Каждый уровень имеет больший объем и расположен дальше от ядра процессора. Кэш-память третьего уровня располагается уже вне процессора, ее объем на порядок больше, чем у кэш первого уровня.