Самой важной частью вашего компьютера, если бы вам нужно было выбрать только одну, был бы центральный процессор (ЦП). Это основной центр (или «мозг»), который обрабатывает инструкции, поступающие от программ, операционной системы или других компонентов вашего ПК.
1 и 0
Благодаря более мощным процессорам мы перешли от простого отображения изображения на экране компьютера к Netflix, видеочату, потоковой передаче и все более реалистичным видеоиграм.
ЦП — чудо инженерной мысли, но в своей основе он по-прежнему опирается на базовую концепцию интерпретации двоичных сигналов (единиц и нулей). Разница теперь в том, что вместо чтения перфокарт или обработки инструкций с помощью наборов вакуумных ламп современные процессоры используют крошечные транзисторы для создания видео TikTok или заполнения чисел в электронной таблице.
Основы процессора
Производство ЦП сложно. Важным моментом является то, что каждый процессор состоит из кремния (одного или нескольких), в котором размещены миллиарды микроскопических транзисторов.
Как мы упоминали ранее, эти транзисторы используют ряд электрических сигналов (ток «включен» и текущий «выкл») для представления машинного двоичного кода, составленного из 1 и 0. Поскольку таких транзисторов очень много, процессоры могут выполнять все более сложные задачи на более высоких скоростях, чем раньше.
Число транзисторов не обязательно означает, что процессор будет быстрее. Тем не менее, это по-прежнему основная причина, по которой телефон, который вы носите в кармане, обладает гораздо большей вычислительной мощностью, чем, возможно, была вся планета, когда мы впервые побывали в космосе.
Прежде чем мы пойдем дальше по концептуальной лестнице ЦП, давайте поговорим о том, как ЦП выполняет инструкции на основе машинного кода, называемого «набором инструкций». Процессоры разных компаний могут иметь разные наборы инструкций, но не всегда.
Например, большинство ПК с Windows и современные процессоры Mac используют набор инструкций x86-64, независимо от того, процессор Intel или AMD. Однако компьютеры Mac, дебютирующие в конце 2020 года, имеют ЦП на базе ARM, которые используют другой набор инструкций. Существует также небольшое количество ПК с Windows 10 и процессорами ARM.
Ядра, кэши и графика
Теперь давайте посмотрим на сам кремний. Приведенная выше диаграмма взята из официального документа Intel, опубликованного в 2014 г., об архитектуре ЦП компании для Core i7-4770S. Это всего лишь пример того, как выглядит один процессор. Другие процессоры имеют разную компоновку.
Мы видим, что это четырехъядерный процессор. Было время, когда процессор имел только одно ядро. Теперь, когда у нас есть несколько ядер, они обрабатывают инструкции намного быстрее. Ядра также могут иметь что-то, называемое гиперпоточностью или одновременной многопоточностью (SMT), из-за чего одно ядро похоже на два для ПК. Это, как вы можете себе представить, помогает еще больше ускорить время обработки.
Ядра на этой диаграмме совместно используют нечто, называемое кешем L3. Это форма встроенной памяти внутри ЦП. ЦП также имеют кэши L1 и L2, содержащиеся в каждом ядре, а также регистры, которые представляют собой форму низкоуровневой памяти.
ЦП, показанный выше, также содержит системный агент, контроллер памяти и другие части кремния, которые управляют информацией, поступающей и исходящей из ЦП.
Наконец, есть встроенная графика процессора, которая генерирует все те замечательные визуальные элементы, которые вы видите на своем экране. Не все процессоры имеют собственные графические возможности. Например, процессорам AMD Zen для настольных ПК требуется дискретная видеокарта для отображения чего-либо на экране. Некоторые процессоры Intel Core для настольных ПК также не имеют встроенной графики.
ЦП на материнской плате
Теперь, когда мы рассмотрели, что происходит под капотом ЦП, давайте посмотрим, как он интегрируется с остальной частью вашего ПК. ЦП находится в так называемом сокете на материнской плате вашего ПК.
После того, как он установлен в сокет, другие части компьютера могут подключаться к ЦП через так называемые «шины». ОЗУ, например, подключается к ЦП через собственную шину, в то время как многие компоненты ПК используют шину определенного типа, называемую «PCIe».
Каждый ЦП имеет набор «линий PCIe», которые он может использовать. Например, процессоры AMD Zen 2 имеют 24 линии, которые подключаются непосредственно к процессору. Эти полосы затем делятся производителями материнских плат под руководством AMD.
Например, 16 дорожек обычно используются для слота видеокарты x16. Затем есть четыре полосы для хранения, например, одно быстрое устройство хранения, например твердотельный накопитель M.2. В качестве альтернативы эти четыре полосы также могут быть разделены. Две полосы можно использовать для твердотельного накопителя M.2, а две — для более медленного диска SATA, например жесткого диска или 2,5-дюймового твердотельного накопителя.
Это 20 полос, а остальные четыре зарезервированы для чипсет, который является коммуникационным центром и контроллером трафика для материнская плата. Затем набор микросхем имеет собственный набор шинных соединений, что позволяет добавлять в ПК еще больше компонентов. Как и следовало ожидать, более производительные компоненты имеют более прямое подключение к ЦП.
Как видите, ЦП выполняет большую часть обработки инструкций, а иногда даже работает с графикой (если она построен для этого). Однако ЦП — не единственный способ обработки инструкций. Другие компоненты, такие как видеокарта, имеют собственные встроенные возможности обработки. Графический процессор также использует свои собственные вычислительные возможности для работы с ЦП и запуска игр или выполнения других задач, требующих интенсивной работы с графикой.
Большая разница заключается в том, что компонентные процессоры создаются с учетом конкретных задач. ЦП, однако, является устройством общего назначения, способным выполнять любую вычислительную задачу, которую ему поручают. Вот почему ЦП доминирует внутри вашего ПК, и остальная часть системы полагается на него в своей работе.
