Как работи... процесорът?



Владимир Георгиев
За новите РС потребители компютрите вероятно са сред най-големите мистерии на човешкия прогрес. И макар че принципът им на работа в действителност е сложен, основните концепции не са чак толкова трудни за разбиране дори от абсолютните лаици по тази тематика. 
В предните два броя разгледахме функциите на компютърното дъно и видеокартата, а този път ще обърнем внимание на друг не по-малко важен компонент от една конфигурация - централния процесор, мозъка на всеки компютър.
Основни принципи и физическа структура
Централният процесор (CPU - Central Processing Unit) се смята за мозъка на компютъра и е същински кукловод, който контролира всеки аспект от оперирането на машината. Вече знаете, че всеки компонент от компютъра е свързан към дъното, но то не би могло да комуникира с другите компоненти без наличието на процесора. С други думи, всички пътища водят към Рим, а в случая Рим е малък четвъртит чип. 
Фундаментално погледнато, CPU-то изпълнява програмите чрез редица физически елементи. Единият от двата основни е ALU (Arithmetic/Logic Unit): аритметично-логически компонент, извършващ математическите изчисления - умножение, деление, изваждане, събиране - всички онези неща, които мразите да правите. За разлика от нас обаче процесорът изчислява с колосални мащаби за части от секундата. Също така трансферира данни от едно място на друго и осъществява решения чрез контролен (управляващ) компонент (CU - Control Unit). Тези два основни елемента са свързани чрез електронна връзка (шина - BUS), която действа като магистрала между тях. 
Съставният елемент на микропроцесора е транзисторът. Той е в основата на всички съвременни електронни устройства и се използва не само в компютрите, но и в уреди, като прахосмукачки, перални, хладилници и т.н. В днешно време транзисторите влизат в състава на интегралните схеми, които пък съдържат буквално милиони транзистори на един полупроводников кристал.
Друг компонент от процесора са логическите елементи (Logic Gates), които свързват всички транзистори в едно цяло, за да оползотворяват електронната бинарна информация и да се извършват решения от CPU-то.
Как точно работи? 
Всеки път, когато използвате компютъра си, вие всъщност работите чрез редица програми с разнородно предназначение. Процесорът извлича инструкции от тях, които са под формата на бинарна информация. Както вероятно вече знаете, бинарната информация представлява гигантски редове числа, съставени от нули и единици. Те заедно казват на CPU-то какво да прави. Всичко, което се случва в компютъра ви, е бинарно. Процесорът дешифрира тези нули и единици, пренасочвайки различните битове данни към частите си, за да се осъществи обработката на информация.
CPU-то съдържа библиотеки от инструкции, които, най-общо казано, са списъци с неща за извършване. Взема входна информация от програмите и използва споменатите библиотеки, за да обърне информацията в резултат.
Или накратко, информацията влиза, извършват се необходимите изчисления и излиза като готов резултат. Сам по себе си процесорът може да съдържа прекалено малко битове информация (в кеш паметта) и затова през цялото време си комуникира с оперативната памет (RAM) – мястото, където се събира информацията от всички активни програми. Процесорът съхранява информация само докато реши какво да прави с нея, а когато бъде върната към програмата, идва редът на RAM паметта. RAM запомня какво правите, докато го извършвате, но се самоизтрива при загуба на захранване - затова при токов удар се губи информация.
 

Примери и обобщение
Последните няколко параграфа са чиста техническа информация, която няма как да се заобиколи, ако искаме да опишем точните принципи на работа на процесора. Затова ще си помогнем с пример. Всеки компонент от компютъра съдържа адрес, включително видеокартата, хард дискът, оптичното устройство, звуковата карта и т.н. Когато кликнете с мишката, за да отворите определен файл от HDD, тази информация се изпраща към процесора. Файлът има конкретно място на хард диска, хард дискът има също конкретно място сред системата, а адресът е начинът, по който CPU-то го намира, след това анализира и изпраща обратно към програмата като готов резултат, т.е. файлът се отваря.
Имайки предвид количеството операции, които извършва CPU-то във всеки един момент, можете да си представите колко логически елемента се изискват, за да осъществяват изчисленията за всичко, което правите. Ако не можете да си представите - те са стотици милиони. Ето как толкова много процесори образуват един малък, четвъртит чип, който е интегрална част от всеки компютър или съвременна машина.
В заключение може да се каже, че процесорът извършва следните функции:
- Взема инструкции от програмите под формата на бинарен код,
- Интерпретира инструкциите и изпраща команди към правилното място, за да се осъществи заявката, 
- Извършва необходимите аритметични и логически операции,
- Свързан е с другите компютърни компоненти, за да помага в изчислението на заявката,
- Връща обратно към програмата резултат.
Технологични процеси
Технологичният производствен процес по създаване на микроелектронни устройства често се нарича "планарна технология" и се състои от редица стъпки в изработването на електрическите схеми в пластини от полупроводникови материали (най-често силиций, но в специални случаи се ползват германий и галиев арсенид). Нарича се "планарна", защото се създават структури с определени размери и разположения, но върху една плоскост/плочка. 
Това, което често срещате в хардуерно насочените статии, като да речем "32-нанометров технологичен процес", всъщност е минималната постижима ширина на линията в схемите. Тя определя размера на транзисторите и останалите елементи, разположени върху пластината. Колкото по-малка е тази ширина, с толкова повече транзистори ще разполага CPU-то, намалявайки същевременно консумираната електроенергия и топлоотделяното, но увеличавайки общата производителност.
През 70-те години на миналия век тази ширина е била в диапазона 2-10 микрона (1 микрон е равен на една милионна от метъра), през 80-те е достигнала 0.5 микрона, което е 500 нанометра (1 нанометър е равен на една милиардна от метъра). До началото на 21-ви век производственият процес стига 130 нанометра, а с началото на новото хилядолетие е вече в рамките на 90 нанометра.
В момента се усвоява 32-нанометровият технологичен процес (вж. карето "Любопитно за 32-нанометровия технологичен процес"), а до 2015 г. вероятно ще е факт 11-нанометровият. След това? Очакваме да се премине в измерението на елементарните частици и квантовата механика, като технологичният процес ще е на молекулярно ниво. С други думи, силицият и производните му ще излязат от употреба, за да навлязат нанотехнологиите. 

 
Няколко съвета за избор на процесор
Обърнете внимание на следните спецификации:
- Frequency (тактова честота): измерва се в MHz и GHz. Това е скоростта, с която CPU-то оперира. Колкото по-висока е стойността, толкова по-бързо ще работи процесорът, но и ще отделя повече топлина.
- FSB, QuickPath, Hypertransport скорости: измерват се в MHz и GHz. Колкото по-висока е стойността им, толкова по-бързо процесорът комуникира с паметта. 
- Брой на ядрата: 1, 2, 3, 4 и т.н. Така наречените ядра всъщност са самостоятелни CPU единици в един процесор. По принцип колкото повече ядра има процесорът, толкова по-добър ще е в мултитаскинга, но и ще отделя повече топлина. 
- Какво ядро/архитектура: Nehalem, Westmere, Silverthorne, Sandy Bridge, Bobcat, Bulldozer? Това са имена на съвременни архитектурни модели, по които се разработват ядрата на процесорите. По-подробна информация за недостатъците и преимуществата им можете да откриете, като потърсите по съответното име в някоя от търсачките. 
- Cache (кеш памет): понастоящем съществуват три нива на кеш памет: L1, L2 и L3, чиито стойности се измерват в KB и MB. Това е вградената към процесора памет и тук също важи принципът колкото повече, толкова по-добре.
- Thermal Design Power (TDP): измерва се във ватове. Колкото по-ниска е стойността, толкова по-добре. Обикновено този показател посочва максималното количество електричество, което ще бъде консумирано от процесора. Колкото е повече, толкова повече топлина ще се отделя. А колкото повече топлина се отделя, толкова по-шумен ще е охлаждащият вентилатор.
Какво още трябва да знаем, когато купуваме процесор?
Едва ли е нужно да споменаваме, че пазарът на процесори се доминира от Intel и AMD. Техническите спецификации обаче е редно да се сравняват между различните модели на една компания. Ако трябва да правите съпоставка между моделите на двете компании, по-добре се посъветвайте с професионални сайтове, като www.tomshardware.com, www.anandtech.com и www.bit-tech.net. Там ще откриете подробни ревюта, съпътствани от редица полезни тестове в полеви условия. По-ленивите може просто да въведат в Google наименованията на моделите, които ги интересуват - да речем "E8600 versus X2 6000+", за да получат конкретни резултати. Тестовете и статиите в сайта ни pcworld.bg и списанието също могат да ви бъдат много полезни за ориентиране в лабиринта от съвременни процесори.
За какви цели ще ползвате компютъра/процесора си?
След като вече сте наясно с основните технически спецификации и знаете как да сравнявате различните модели процесори, е време да конкретизирате нуждите на CPU-то:
- Игри - възможно най-високата тактова честота, минимум две ядра, повече кеш памет,
- Офис дейности, Интернет услуги - освен ако не сте маниаци на тема мултитаскинг. Тук ще ви свърши работа едноядрен процесор със средна тактова честота или бюджетен двуядрен CPU. Целете се в ниския TDP.
- Фото, видео, 3D обработка и рендериране - поне 4 ядра, възможно най-високите тактова честота и кеш памет.
- Мултимедия, слушане на музика, гледане на филми - двуядрен процесор (вероятно ще се изкушите от 720р и 1080р), средни тактова честота и кеш памет, нисък TDP.
- "Зелено" PC - възможно най-ниският TDP, ниска тактова честота, едно ядро.


Как работи... процесорът?

© Мариян Славов, pcworld



Терминология, свързана с процесора
Вече обърнахме внимание на специфични термини, като ALU, Control Unit, Logic Gates, Frequency, Thermal Design Power и Cache. Сега ще се насочим към по-общите:
- Полупроводници - субстанции в твърдо състояние с проводими характеристики, които могат да бъдат променени чрез електричество. Силицият действа като полупроводник, когато бива комбиниран по химически път с други елементи. Трябва да се отбележи, че полупроводниците са със свойства между проводник и изолатор. Когато бъде зареден с електричество или светлина, полупроводникът променя състоянието си от непроводимо към проводимо и обратното. Най-значимият продукт на полупроводниковата индустрия е транзисторът,
- Транзистори - устройства за увеличаване на сигнал или отваряне и затваряне на верига. В света на компютрите функционира като електронен превключвател или мост. Колкото повече транзистори се помещават върху плочката на един процесор, толкова по-производителен ще е той,
- MIPS (Millions Instructions Per Second) - милиони инструкции в секунда. Използва се като груба индикация за производителността на определен процесор,
- PPW (Performance Per Watt) - производителност на ват. Измерва енергийната ефективност на компютърна архитектура или компютърен хардуер. Буквално казано, измерва изчисленията, които могат да бъдат извършени за всеки консумиран ват електроенергия,
- FLOPS (Floating Point Operations Per Second) - изчисления с плаваща запетая, извършени за секунда. Използва се като мерна единица в научни изследвания и симулации, при които се извършват много калкулации с плаваща запетая,
- Закон на Мур - през 1965 г. основателят на Intel Гордън Мур изказва предположение, впоследствие превърнало се в закон, който и до ден днешен важи с пълна сила, а именно: разработката на нов модел процесор отнема около 18 месеца и показва приблизително два пъти по-висока производителност спрямо предходното поколение. Същевременно броят на транзисторите също се увеличава два пъти в рамките на всеки 18 до 24 месеца. С преминаването на технологичния производствен процес към молекулярно ниво Законът на Мур вероятно ще престане да бъде валиден.
Любопитно за 32-нанометровия технологичен процес
- Първият транзистор е създаден от компанията Bell Labs (AT&T) през „античната” 1947 г. и бил толкова голям, че се сглобявал на ръка. За контраст - повече от 60 милиона 32-нанометрови транзистора биха се побрали на върха на игла.
- В сравнение с първия микропроцесор (Intel-ския 4004, представен през 1971 г.) 32-нанометровият CPU изчислява 4800 пъти по-бързо, а всеки транзистор използва около 4000 пъти по-малко енергия. Цената на транзистор е паднала 100 000 пъти.
- Ако скоростта на иновациите в космическото пътуване нарастваше от 1971 г. с темповете на Закона на Мур, то в момента щеше да е възможно пътуването със скоростта на светлината - над 1 милиард километра в час.
Twitter icon Facebook icon
Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тук.