Мозг компьютера - устройство процессора компьютера

Процессоры для персональных компьютеров подразделяются на несколько критериев:

• производитель;
• семейство;
• модель внутри семейства.

Выбор процессора начинается с выбора производителя. Основными производителями процессоров считаются две компании: Intel и AMD. К выбору процессора надо подходить стратегически, т.к. процессоры и соответственно платформы взаимно не совместимы. То есть процессор одного семейства нельзя заменить процессором другого семейства одной и той же фирмы – придется менять всю платформу.

Архитектура процессора

Законы конкуренции привели к тому, что внимание разработчиков было направлено на поиск повышения производительности. Было найдено два новых направления:

расширение разрядности существующих 32-битных процессоров до 64 бит;интеграция в процессор двух и более ядер, которые занимаются непосредственно вычислениями.

Разрядность процессора – длина одновременно обрабатывающих данных (в битах).

Ядро процессора – совокупность арифметическо-логических устройств, блоков управления и кэш-памяти, выполненная в рамках единой микроархитектуры процессора.

Рабочая частота – частота переключения транзисторов  в ядре процессора. Получается умножением тактовой частоты системной шины на коэффициент, заданный специальным блоком процессора.

Тактовая частота – опорная частота, генерируемая специальным устройством системной шины. Используется для синхронизации процессора и шины.

Современные процессоры имеют архитектуру «неймановского» типа:

арифметическо-логическое устройство;блок управления;блок памяти;устройство ввода-вывода.

Ядро процессора

Главным элементом процессора, выполняющим обработку данных является арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Процессор имеет специальные ячейки памяти, которые называются регистры. В них хранятся и поступают данные с огромной скоростью. По мере обработки данные из регистра поступают и возвращаются.

Все современные микропроцессоры являются синхронными, то есть меняют состояние элементов в момент поступления тактовых импульсов. В каждом цикле есть сигнал, который переключает определенные триггеры. Например, в регистры данные загружаются лишь по фронту импульса, а считываются только по спаду. Именно поэтому АЛУ может в течение одного цикла и считать, и записать данные в регистр.

Блок управления, АЛУ и кэш-память образуют ядро процессора.

Системная шина

Как данные, так и команды для их обработки процессор получает из ячеек оперативной памяти по системной шине. В составе системной шины различают: шину данных, адресную шину, шину управления. По шине данных в регистры процессора копируются данные из ячеек памяти. По адресной шине процессор выбирает, начиная с какой именно ячейки он должен получить данные. По шине управления процессор получает из оперативной памяти команды для обработки данных.

Кэш-память

Внутри процессора все операции происходят в десятки раз быстрее, чем при обмене данными с оперативной памятью. Это означает, что чем реже процессор обращается к памяти за данными и командами, тем быстрее он способен работать. Чтобы сократить количество обращений, в процессор встраивают сравнительно небольшой блок сверхоперативной памяти, способной работать на частоте ядра. Этот блок памяти называют кэш-памятью.

При обращении к ячейкам оперативной памяти процессор получает не только те данные, которые требуются немедленно для загрузки в регистры, но и еще что-то «про запас». Этот запас записывается в кэш­-память. Если запасенные данные потребуются в следующем цикле, процессор заберет их из кэш-памяти. Если же потребуются иные данные, процессор обратится к оперативной памяти, и содержимое кэша обновится. Как правило, современные процессоры имеют два блока внутренней кэш-памяти. Первый блок (кэш-память первого уровня, 11) обычно разделен на кэш данных и кэш инструкций. Второй блок (кэш-память второго уровня, 12) служит только для хранения данных. В некоторых моделях процессоров (например, Pentium 4 Extreme Edition) используется кэш-память третьего уровня.

Процессорный разъем

Для подключения кэш-памяти, блоков ввода-вывода, тактовых сигналов, питания процессору требуются сотни линий. Поэтому ядро и другие блоки процессора размещают в герметичном корпусе, оснащенном множеством контактных ножек или площадок. Корпус вставляют в процессорный разъем (Зоскет.) на системной плате, а уже от разъема шины идут к другим устройствам компьютера.

Процессорные разъемы принято маркировать по числу контактов, например Socked 775 или Socked 939. Процессоры одного семейства и одной архитектуры могут иметь разные корпуса и разные процессорные разъемы, несовместимые друг с другом. А вот обратная картина (один разъем для процессоров разной архитектуры) встречается очень редко.

Зачем процессорному разъему сотни контактов? В основном — для электропитания. Шина данных в процессоре Pentium 4 насчитывает 64-разряда и требует наличия 64 линий. Шина адреса занимает 36 линий. 124 линии отведено для служебных нужд, а 28 выводов зарезервировано. Все оставшиеся контакты используются для подачи питания. Так, в разъеме Socked 775 линий питания — 523.

Такое количество линий питания объясняется особенностями архитектуры процессоров. Современный процессор насчитывает свыше 150 миллионов транзисторов. Их надо обеспечить током: небольшим, в доли микроампера, но каждый из полутора сотен миллионов транзисторов. В итоге получается, что суммарный ток потребления процессора составляет десятки ампер. Например, максимальный потребляемый ток для процессора Pentium 4 с ядром Prescott равен 119 А. Для сравнения — максимально допустимый ток в бытовой электросети обычно не превышает 16 А.

Различают следующие виды разъемов: