Як працює процесор комп'ютера? Принцип роботи

Практично всі знають, що в комп'ютері головним елементом серед всіх «залізних» компонентів є центральний процесор. Але коло людей, які представляють собі, як працює процесор, є досить обмеженим. Більшість користувачів про це і гадки не мають. І навіть коли система раптом починає «гальмувати», багато хто вважає, що це процесор погано працює, і не надають значення іншим факторам. Для повного розуміння ситуації розглянемо деякі аспекти роботи ЦП.

Що таке процесор?

Центральний процесор (ЦП або в англійському варіанті CPU) є серцем будь-якої комп'ютерної системи. На нього покладені всі обчислювальні операції, причому не тільки арифметичні або обчислення з плаваючою комою (змінюється мантиса), але й логічні. Сам процесор являє собою невелику квадратну пластину (чіп), всередині якої знаходяться мільйони транзисторів. Іноді це пристрій називають ще інтегральною мікросхемою.

З чого складається процесор?

Якщо говорити про те, як працює процесор Intel або його конкурент AMD, потрібно подивитися, як влаштовані ці чіпи. Перший мікропроцесор (до речі, саме від Intel, модель 4040) з'явився ще в далекому 1971 році. Він міг виконувати тільки найпростіші операції додавання і віднімання з обробкою всього лише 4 біт інформації, тобто мав 4-бітну архітектуру. Сучасні процесори, як і первісток, засновані на транзисторах і володіють значно більшою швидкодією. Виготовляються вони методом фотолітографії з певного числа окремих кремнієвих пластинок, що утворюють кристал, у який як би вдруковані транзистори. Схема створюється на спеціальному прискорювачі розігнаними іонами бору. У внутрішній структурі процесорів основними компонентами є ядра, шини та функціональні частинки, звані ревізіями.

Основні характеристики

Як і будь-яке інше пристрій, процесор характеризується певними параметрами, які, відповідаючи на питання, як працює процесор, не можна обійти стороною. Насамперед це: кількість ядер; число потоків; розмір кеша (внутрішньої пам'яті); тактова частота; швидкість шини. Поки зупинимося на тактовій частоті. Не дарма процесор називають серцем комп'ютера. Як і серце, він працює в режимі пульсації з певною кількістю тактів в секунду. Тактова частота вимірюється у МГц або ГГц. Чим вона вище, тим більше операцій може виконати пристрій. На якій частоті працює процесор, можна дізнатися із заявлених характеристик або подивитися інформацію в відомостях про систему. Але в процесі обробки команд частота може змінюватися, а при розгоні (оверлокинге) збільшуватися до екстремальних меж. Таким чином, заявлена тактова частота є всього лише усередненим показником. Кількість ядер – показник, що визначає число обчислювальних центрів процесора (не плутати з потоками – кількість ядер і потоків можуть не збігатися). За рахунок такого розподілу з'являється можливість перенаправлення операцій на інші ядра, за рахунок чого підвищується загальна продуктивність.

Як працює процесор: обробка команд

Тепер трохи про структуру виконуваних команд. Якщо подивитися, як працює процесор, потрібно чітко уявляти собі, що будь-яка команда має дві складові – операційну і операндную. Операційна частина вказує, що повинна виконати в даний момент комп'ютерна система, операнда визначає те, над чим має працювати саме процесор. Крім того, ядро процесора може містити два обчислювальних центру (контейнера, потоку), які поділяють виконання команди на кілька етапів: вироблення; дешифрування; виконання команди; звернення до пам'яті самого процесора збереження результату. Сьогодні застосовується роздільне кешування у вигляді використання двох рівнів кеш-пам'яті, що дозволяє уникнути перехоплення двома і більше командами звернення до одного з блоків пам'яті. Процесори за типом обробки команд розділяють на лінійні (виконання команд по черзі їх запису), циклічні і розгалужуються (виконання інструкцій після обробки умов розгалуження).

Виконувані операції

Серед основних функцій, покладених на процесор, в сенсі виконуваних команд або інструкцій розрізняють три основні завдання: математичні дії на основі арифметико-логічного пристрою; переміщення даних (інформації) з одного типу пам'яті в інший; прийняття рішення за виконанням команди, і на його основі – вибір перемикання на виконання інших наборів команд.

Взаємодія з пам'яттю (ПЗП і ОЗП)

У цьому процесі слід відзначити такі компоненти, як шина і канал читання і запису, які з'єднані з запам'ятовуючими пристроями. ПЗП містить постійний набір байт. Спочатку адресна шина запитує у ПЗУ визначений байт, потім передає його на шину даних, після чого канал читання змінює свій стан і ПЗУ надає запитаний байт. Але процесори можуть не тільки зчитувати дані з оперативної пам'яті, але і записувати їх. У цьому випадку використовується канал запису. Але, якщо розібратися, за великим рахунком сучасні комп'ютери чисто теоретично могли б і зовсім обійтися без ОЗП, оскільки сучасні мікроконтролери здатні розміщувати потрібні байти даних безпосередньо в пам'яті самого процесорного чіпа. Але ось без ПЗУ обійтися ніяк не можна.
Крім усього іншого, старт системи запускається з режиму тестування обладнання (команди BIOS), а тільки потім управління передається завантажуваної операційній системі.

Як перевірити, чи працює процесор?

Тепер подивимося на деякі аспекти перевірки працездатності процесора. Потрібно чітко розуміти, що, якщо б процесор не працював, комп'ютер б не зміг розпочати завантаження взагалі. Інша справа, коли потрібно подивитися на показник використання можливостей процесора в певний момент. Зробити це можна з стандартного Диспетчера завдань» (навпроти будь-якого процесу зазначено, скільки відсотків завантаження процесора він дає). Для візуального визначення цього параметра можна скористатися вкладкою продуктивності, де відстеження змін відбувається в режимі реального часу. Розширені параметри можна побачити за допомогою спеціальних програм, наприклад, CPU-Z. Крім того, можна задіяти кілька ядер процесора, використовуючи для цього конфігурацію системи (msconfig) та додаткові параметри завантаження.

Можливі проблеми

Нарешті, кілька слів про проблеми. Ось багато користувачів часто запитують, мовляв, чому процесор працює, а монітор не включається? До центрального процесора ця ситуація не має ніякого відношення. Справа в тому, що при включенні будь-якого комп'ютера спочатку тестується графічний адаптер, а лише потім все інше. Можливо, проблема полягає якраз в процесор графічного чіпа (всі сучасні відеоприскорювачі мають власні графічні процесори). Але на прикладі функціонування людського організму потрібно розуміти, що в разі зупинки серця помирає весь організм. Так і з комп'ютерами. Не працює процесор – «вмирає» вся комп'ютерна система.