Ключовою складовою комп’ютера, якби довелося виділити лише одну, безсумнівно, є центральний процесор (ЦП). Він виступає основним центром обробки, або “мозком”, який керує інструкціями від програм, операційної системи та інших елементів вашої обчислювальної системи.
Код з нулів та одиниць
Завдяки еволюції процесорів ми перейшли від примітивних зображень на екранах до можливості насолоджуватися стрімінговими платформами, відеозв’язком та надреалістичними іграми.
ЦП – це вражаюче досягнення технологій, але в його основі лежить проста ідея обробки двійкових сигналів (1 та 0). Сучасні процесори, замість перфокарт або вакуумних ламп, використовують мініатюрні транзистори для створення відео у TikTok або обробки даних у електронних таблицях.
Принципи роботи процесора
Виробництво процесора – це складний процес. Кожен процесор містить кремнієву пластину, на якій розміщені мільярди крихітних транзисторів.
Ці транзистори, використовуючи електричні сигнали (“ввімкнено” і “вимкнено”), представляють двійковий машинний код (1 та 0). Завдяки величезній кількості транзисторів, процесори можуть виконувати складні завдання набагато швидше, ніж раніше.
Кількість транзисторів не завжди гарантує швидкість процесора. Однак, це одна з головних причин того, що сучасний смартфон має більшу обчислювальну потужність, ніж можливості усієї планети в часи перших польотів на Місяць (посилання на статтю).
Давайте розглянемо, як процесор виконує інструкції, використовуючи “набір інструкцій”, що є різновидом машинного коду. Процесори різних компаній можуть мати різні набори інструкцій, хоча це не завжди так.
Наприклад, більшість комп’ютерів з Windows і сучасні Mac використовують набір інструкцій x86-64, незалежно від того, чи це процесор Intel або AMD. Однак, комп’ютери Mac, випущені в кінці 2020 року, використовують процесори ARM з іншим набором інструкцій. Також, невелика кількість комп’ютерів з Windows 10 використовують процесори ARM.
Ядра, кеш-пам’ять та графіка
Звернемо увагу на кремнієву пластину. Наведена діаграма взята з офіційних матеріалів Intel, опублікованих у 2014 році, і представляє архітектуру ЦП Core i7-4770S. Це лише приклад, і інші процесори мають інші схеми.
Ми бачимо чотириядерний процесор. Раніше процесори мали тільки одне ядро. Завдяки кільком ядрам, інструкції обробляються набагато швидше. Ядра також можуть мати технологію гіперпотоковості (або SMT), де одне ядро сприймається системою як два. Це, як ви розумієте, ще більше прискорює обробку даних.
Ядра на діаграмі спільно використовують кеш L3. Це вбудована пам’ять у процесорі. ЦП також мають кеш L1 та L2, розташовані в кожному ядрі, а також регістри – низькорівневу пам’ять. Для розуміння різниці між регістрами, кешем та оперативною пам’яттю, рекомендуємо переглянути цю відповідь на StackExchange.
Цей процесор також включає системний агент, контролер пам’яті та інші елементи, що керують потоком інформації всередині ЦП.
І, нарешті, вбудована графіка процесора відповідає за візуалізацію на екрані. Не всі процесори мають власну графічну підсистему. Наприклад, настільні процесори AMD Zen потребують дискретної відеокарти для виведення зображення, а деякі процесори Intel Core також не мають вбудованої графіки.
ЦП на материнській платі
Розглянувши внутрішню будову процесора, подивимося, як він взаємодіє з іншими компонентами ПК. Центральний процесор розміщений у спеціальному гнізді (сокеті) на материнській платі.
Після встановлення в сокет, інші компоненти ПК підключаються до процесора через “шини”. Наприклад, ОЗП підключається до процесора через власну шину, тоді як багато компонентів використовують шину “PCIe”.
Кожен процесор має певну кількість “ліній PCIe”. Наприклад, процесори AMD Zen 2 мають 24 лінії, які підключаються безпосередньо до ЦП. Ці лінії розподіляються виробниками материнських плат згідно з рекомендаціями AMD.
16 ліній зазвичай використовується для слота відеокарти x16. Чотири лінії призначені для зберігання даних, наприклад, для швидкого M.2 SSD. Ці чотири лінії можуть бути розділені: дві для M.2 SSD і дві для повільнішого SATA-накопичувача, такого як жорсткий диск або 2,5-дюймовий SSD.
Це 20 ліній. Решта чотири призначені для чіпсета, який виступає центром зв’язку і контролером для материнської плати. Чіпсет також має свій набір шин, що дозволяє підключати ще більше компонентів. Як можна здогадатись, високопродуктивні компоненти мають більш пряме підключення до ЦП.
Як бачимо, процесор виконує основну частину обробки інструкцій, а іноді й графічне ядро. Проте, процесор не є єдиним способом обробки. Інші компоненти, як відеокарта, також мають власні обчислювальні можливості. Графічний процесор використовує свої можливості для роботи з центральним процесором, запуску ігор або виконання інших завдань, що потребують інтенсивної графічної обробки.
Основна відмінність полягає в тому, що інші процесори розроблені для конкретних завдань. Центральний процесор, однак, є універсальним пристроєм, здатним виконувати будь-яке обчислювальне завдання. Саме тому центральний процесор відіграє ключову роль у комп’ютері, а вся система залежить від його роботи.