Найважливішою частиною вашого комп’ютера, якби вам довелося вибрати лише одну, був би центральний процесор (ЦП). Це основний концентратор (або «мозок»), і він обробляє інструкції, які надходять від програм, операційної системи чи інших компонентів вашого ПК.
1 і 0
Завдяки потужнішим процесорам ми перейшли від ледве відображення зображення на екрані комп’ютера до Netflix, відеочату, потокової передачі та все більш реалістичних відеоігор.
ЦП — це диво техніки, але в своїй основі він все ще спирається на основну концепцію інтерпретації двійкових сигналів (1 і 0). Різниця тепер полягає в тому, що замість читання перфокарт або обробки інструкцій за допомогою наборів вакуумних ламп, сучасні процесори використовують крихітні транзистори для створення відео TikTok або заповнення чисел у електронній таблиці.
Основи роботи ЦП
Виробництво процесора складне. Важливим моментом є те, що кожен процесор має кремній (або один або кілька), який містить мільярди мікроскопічних транзисторів.
Як ми згадували раніше, ці транзистори використовують серію електричних сигналів (струм «увімкнено» і струм «вимкнено») для представлення машинного двійкового коду, що складається з 1 і 0. Оскільки таких транзисторів дуже багато, процесори можуть виконувати дедалі складніші завдання на більшій швидкості, ніж раніше.
Кількість транзисторів не обов’язково означає, що процесор буде швидше. Однак це все ще є основною причиною того, що телефон, який ви носите в кишені, має набагато більшу обчислювальну потужність, ніж, можливо, вся планета, коли ми вперше вирушили на Місяць.
Перш ніж піднятися далі по концептуальних сходах ЦП, давайте поговоримо про те, як ЦП виконує інструкції на основі машинного коду, який називається «набір інструкцій». Процесори різних компаній можуть мати різні набори інструкцій, але не завжди.
Наприклад, більшість ПК з Windows і поточні процесори Mac використовують набір інструкцій x86-64, незалежно від того, чи є це процесор Intel чи AMD. Однак комп’ютери Mac, які дебютують наприкінці 2020 року, будуть мати процесори на базі ARM, які використовують інший набір інструкцій. Існує також невелика кількість ПК з Windows 10, які використовують процесори ARM.
Ядра, кеші та графіка
Тепер давайте подивимося на сам кремній. Наведена вище діаграма взято з офіційної книги Intel, опублікованої в 2014 році, про архітектуру ЦП компанії Core i7-4770S. Це лише приклад того, як виглядає один процесор — інші процесори мають різні схеми.
Ми бачимо, що це чотириядерний процесор. Був час, коли процесор мав лише одне ядро. Тепер, коли у нас є кілька ядер, вони обробляють інструкції набагато швидше. Ядра також можуть мати так звану гіперпотоковість або одночасну багатопотоковість (SMT), завдяки чому одне ядро здається ПК двома. Це, як ви можете собі уявити, ще більше прискорює час обробки.
Ядра на цій діаграмі спільно використовують так званий кеш L3. Це форма вбудованої пам’яті всередині ЦП. ЦП також мають кеш L1 і L2, що містяться в кожному ядрі, а також регістри, які є формою низькорівневої пам’яті. Якщо ви хочете зрозуміти різницю між регістрами, кешами та системною оперативною пам’яттю, перегляньте цю відповідь на StackExchange.
ЦП, показаний вище, також містить системний агент, контролер пам’яті та інші частини кремнію, які керують інформацією, що надходить і виходить з ЦП.
Нарешті, є вбудована графіка процесора, яка створює всі ці чудові візуальні елементи, які ви бачите на екрані. Не всі процесори мають власні графічні можливості. Для настільних процесорів AMD Zen, наприклад, потрібна дискретна відеокарта, щоб відображати будь-що на екрані. Деякі настільні процесори Intel Core також не мають вбудованої графіки.
ЦП на материнській платі
Тепер, коли ми розглянули, що відбувається під капотом процесора, давайте подивимося, як він інтегрується з іншими частинами вашого ПК. Центральний процесор знаходиться в так званому сокеті на материнській платі вашого ПК.
Після того, як він вставлений в розетку, інші частини комп’ютера можуть підключатися до ЦП через щось, що називається «шинами». Наприклад, ОЗП підключається до ЦП через власну шину, тоді як багато компонентів ПК використовують особливий тип шини, який називається «PCIe».
Кожен процесор має набір «смуг PCIe», які він може використовувати. Наприклад, процесори AMD Zen 2 мають 24 лінії, які підключаються безпосередньо до ЦП. Ці смуги потім розділяють виробники материнських плат за вказівками AMD.
Наприклад, 16 смуг зазвичай використовуються для слота для відеокарти x16. Потім є чотири смуги для зберігання, наприклад один швидкий накопичувач, як-от M.2 SSD. Крім того, ці чотири смуги також можуть бути розділені. Дві смуги можна використовувати для SSD M.2 і дві для повільнішого SATA-накопичувача, наприклад жорсткого диска або 2,5-дюймового SSD.
Це 20 смуг, інші чотири зарезервовані для чіпсета, який є комунікаційним центром і контролером руху для материнської плати. Тоді набір мікросхем має власний набір шинних з’єднань, що дозволяє додавати ще більше компонентів до ПК. Як можна було очікувати, високопродуктивні компоненти мають більш пряме підключення до ЦП.
Як бачимо, більшу частину обробки інструкцій виконує центральний процесор, а іноді навіть графіка (якщо він створений для цього). Однак процесор не єдиний спосіб обробки інструкцій. Інші компоненти, такі як відеокарта, мають власні вбудовані можливості обробки. Графічний процесор також використовує власні можливості обробки для роботи з центральним процесором, запуску ігор або виконання інших завдань із інтенсивною графікою.
Велика різниця в тому, що компонентні процесори створюються з урахуванням конкретних завдань. ЦП, однак, є пристроєм загального призначення, здатним виконувати будь-яке обчислювальне завдання, яке його просять виконати. Ось чому центральний процесор панує у вашому комп’ютері, а решта системи покладається на його роботу.