Kas ir CPU un ko tas dara?

Vissvarīgākā datora daļa, ja jums vajadzētu izvēlēties tikai vienu, būtu centrālais procesors (CPU). Tas ir galvenais centrmezgls (vai “smadzenes”), un tas apstrādā instrukcijas, kas nāk no programmām, operētājsistēmas vai citiem datora komponentiem.

1 un 0

Pateicoties jaudīgākiem centrālajiem procesoriem, mēs tik tikko esam spējuši attēlot attēlu datora ekrānā, pāriet uz Netflix, video tērzēšanu, straumēšanu un arvien patiesākas videospēles.

Centrālais procesors ir inženierijas brīnums, taču būtībā tas joprojām balstās uz bināro signālu (1 un 0) interpretācijas pamatkoncepciju. Tagad atšķirība ir tā, ka mūsdienu procesori tā vietā, lai lasītu perfokartes vai apstrādātu instrukcijas ar vakuuma cauruļu komplektiem, TikTok videoklipu izveidošanai vai skaitļu aizpildīšanai izklājlapā izmanto sīkus tranzistorus.

CPU pamati

CPU ražošana ir sarežģīta. Svarīgi ir tas, ka katram procesoram ir silīcijs (vai nu viens, vai vairāki gabali), kurā atrodas miljardiem mikroskopisko tranzistoru.

Kā jau iepriekš minējām, šie tranzistori izmanto virkni elektrisko signālu (strāva “ieslēgta” un strāva “izslēgta”), lai attēlotu mašīnas bināro kodu, kas sastāv no 1 un 0. Tā kā šo tranzistoru ir tik daudz, CPU var veikt arvien sarežģītākus uzdevumus ar lielāku ātrumu nekā iepriekš.

Transistoru skaitīšana nenozīmē, ka centrālais procesors būs ātrāks. Tomēr tas joprojām ir būtisks iemesls, kāpēc tālrunī, kuru nēsājat kabatā, ir daudz lielāka skaitļošanas jauda nekā, iespējams, visai planētai, kad mēs pirmo reizi devāmies uz Mēnesi.

Pirms dodamies tālāk uz CPU konceptuālajām kāpnēm, parunāsim par to, kā centrālais procesors izpilda instrukcijas, pamatojoties uz mašīnkodu, ko sauc par “instrukciju kopu”. Dažādu uzņēmumu procesoriem var būt dažādas instrukciju kopas, taču ne vienmēr.

Piemēram, lielākajā daļā Windows datoru un pašreizējo Mac procesoru tiek izmantots x86-64 instrukciju komplekts neatkarīgi no tā, vai tie ir Intel vai AMD procesori. Tomēr Mac datoriem, kas debitēs 2020. gada beigās, būs ARM balstīti CPU, kuros tiek izmantots cits instrukciju kopums. Ir arī neliels skaits Windows 10 datoru, kas izmanto ARM procesorus.

SAISTĪTĀS: Kas ir binārs un kāpēc datori to izmanto?

Kodoli, kešatmiņas un grafika

Tagad aplūkosim pašu silīciju. Iepriekš redzamā diagramma ir no Intel baltā papīra, kas publicēts 2014. gadā par uzņēmuma CPU arhitektūru Core i7-4770S. Šis ir tikai viena procesora izskata piemērs - citiem procesoriem ir atšķirīgs izkārtojums.

Mēs varam redzēt, ka tas ir četru kodolu procesors. Bija laiks, kad CPU bija tikai viens kodols. Tagad, kad mums ir vairāki kodoli, tie daudz ātrāk apstrādā instrukcijas. Kodoliem var būt arī kaut kas tāds, ko sauc par hipervītni vai vienlaicīgu vairāku pavedienu (SMT), kas liek vienam kodolam datoram šķist kā diviem. Tas, kā jūs varētu iedomāties, palīdz vēl vairāk paātrināt apstrādes laiku.

Šīs diagrammas kodoli kopīgo kaut ko, ko sauc par L3 kešatmiņu. Šī ir borta atmiņas forma procesora iekšpusē. Centrālajos procesoros ir arī L1 un L2 kešatmiņa, kas atrodas katrā kodolā, kā arī reģistri, kas ir zema līmeņa atmiņas forma. Ja vēlaties saprast atšķirības starp reģistriem, kešatmiņām un sistēmas RAM, pārbaudiet šo atbildi vietnē StackExchange.

Iepriekš parādītais centrālais procesors satur arī sistēmas aģentu, atmiņas kontrolleri un citas silīcija daļas, kas pārvalda informāciju, kas ienāk CPU un iziet no tā.

Visbeidzot, tur ir procesora iebūvētā grafika, kas ģenerē visus šos brīnišķīgos vizuālos elementus, kurus redzat ekrānā. Ne visos procesoros ir savas grafikas iespējas. Piemēram, AMD Zen darbvirsmas procesoriem ir nepieciešama atsevišķa grafiskā karte, lai kaut ko parādītu ekrānā. Daži Intel Core galddatoru procesori arī neietver borta grafiku.

Centrālais procesors mātesplatē

Tagad, kad mēs esam apskatījuši, kas notiek zem centrālā procesora pārsega, apskatīsim, kā tas integrējas ar pārējo jūsu datoru. Centrālais procesors atrodas tā sauktajā ligzdā datora mātesplatē.

Kad tas ir ievietots kontaktligzdā, citas datora daļas var izveidot savienojumu ar procesoru, izmantojot tā saukto “kopnes”. Piemēram, RAM savienojas ar CPU, izmantojot savu kopni, savukārt daudzi personālā datora komponenti izmanto īpašu kopnes veidu, ko sauc par “PCIe”.

Katram procesoram ir “PCIe joslu” komplekts, ko tas var izmantot. Piemēram, AMD Zen 2 procesoriem ir 24 joslas, kas savienojas tieši ar CPU. Pēc tam šīs joslas mātesplatē ražotāji sadala pēc AMD norādījumiem.

Piemēram, x16 grafiskās kartes slotā parasti tiek izmantotas 16 joslas. Tad uzglabāšanai ir četras joslas, piemēram, viena ātrās glabāšanas ierīce, piemēram, M.2 SSD. Alternatīvi šīs četras joslas var arī sadalīt. Divus celiņus varēja izmantot M.2 SSD un divus lēnākam SATA diskam, piemēram, cietajam diskam vai 2,5 collu SSD.

Tas ir 20 joslas, un pārējie četri ir rezervēti mikroshēmojumam, kas ir mātesplates sakaru centrs un satiksmes kontrolieris. Pēc tam mikroshēmojumam ir savs kopņu savienojumu komplekts, kas ļauj datoram pievienot vēl vairāk komponentu. Kā jūs varētu sagaidīt, komponentiem ar lielāku veiktspēju ir tiešāks savienojums ar CPU.

Kā redzat, CPU veic lielāko daļu instrukciju apstrādes, un dažreiz pat grafika darbojas (ja tā ir paredzēta šim nolūkam). Tomēr procesors nav vienīgais veids, kā apstrādāt instrukcijas. Citiem komponentiem, piemēram, grafiskajai kartei, ir savas borta apstrādes iespējas. GPU izmanto arī savas apstrādes iespējas, lai strādātu ar CPU un palaistu spēles vai veiktu citus grafikas ietilpīgus uzdevumus.

Lielā atšķirība ir tā, ka komponentu procesori tiek veidoti, ņemot vērā konkrētus uzdevumus. Tomēr centrālais procesors ir universāla ierīce, kas spēj izpildīt jebkuru skaitļošanas uzdevumu, kas tam tiek lūgts. Tāpēc CPU jūsu datorā valda visaugstāk, un pārējā sistēma paļaujas uz tā darbību.