Для чего нужен процессор – что это такое и как работает. Мышь не требуется

14.07.2019

20. 02.2017

Блог Дмитрия Вассиярова.

Что такое процессор компьютера — все точки над i

Доброго времени суток дорогой читатель.

Каждый современный человек слышал о компьютерных процессорах, но не все понимают, как они выглядят и для чего предназначены. Вы относитесь к числу таких людей? Тогда вам непременно стоит прочитать эту статью. Ведь знание того, что такое процессор компьютера, поможет вам в его выборе. Именно от этого будет зависеть, насколько быстро вы сможете работать с тем или иным программным обеспечением.

В данной статье я не буду углубляться в историю, а буду отталкиваться от понятия современных процессоров.

Разъяснение термина

Процессор - главный элемент компьютера, который предназначен для определения его возможностей в обработке информации.

Другими словами, это микросхема, руководящая всеми устройствами вашего девайса и выполнением любых его задач. Тем, насколько быстро она может обрабатывать данные, определяется мощность и производительность компа.

В целом, компьютер содержит много небольших процессоров (чипов), каждый из которых отвечает за отдельный элемент, например, видеокарту и пр. Однако главным из них является тот, который контролирует системную шину, оперативную память и самое важное - выполнение объектного кода программ.

Он называется «центральный процессор». Синонимом к этому понятию выступает английская аббревиатура CPU (Central Point Unit — в переводе что то типа «Центральный Вычислительный Пункт»).
От чего зависит производительность?

Самые важные характеристики процессора это:

, исчисляемая в гигагерцах (GHz).
Она представляет собой количество операций, который компьютер способен выполнять за секунду. Чем больше их число, тем быстрее он будет работать.
Указывающая на то, какие приложения может поддерживать комп: 32-х или 64-битные. Как правило, все современные процессоры относятся ко второму варианту. От этого параметра зависит и количество оперативной памяти, так как у 32-битных систем ее до 4 Гб, а у 64-битных - выше 4 Гб.
или иными словами память процессора.
Тоже очень важный параметр влияющий на скорость работы. служит для уменьшения времени доступа к основной памяти (ОЗУ). В основном бывает несколько уровней кэша — L1, L2, L3. соответственно чем больше размер кэша и чем больше уровней, тем быстрее проц выполняет сложные операции типа архивирования, рендеринга и т.п.
Количество ядер.
— это отдельная вычислительная единица. Грубо говоря если проц двух ядерный то это означает что под одной крышкой в нём трудятся два процессора (два кристала). В общем чем больше ядер тем лучше (тем он быстрее).

Вид снаружи и внутри

Думаете, такой важный «орган» должен иметь внушительный вид? Это не так. Процессор представляет собой небольшую пластину в несколько квадратных миллиметров прямоугольной формы, на которую нанесены схемы. Чтобы избежать повреждений, ее помещают в корпус из металла. К системной плате пластина присоединяется маленькими ножками золотого цвета с металлическими штырьками.

Процессор компьютера в разрезе выглядит так: подложка на которой установлен сам кристалл изготовленный из кремния (он то и отвечает за все вычисления), далее на кристалл наносят термоинтерфейс и закрывают это всё крышкой, которая в дальнейшем будет контактировать с пяткой кулера.

Сам кристалл в не припаянном состоянии имеет примерно следующее обличие:

Где находится в компьютере?

Вы задаетесь вопросом, как узнать какой процессор стоит у меня на компьютере? Не обязательно его разбирать, чтобы найти нужные данные.

Для этого достаточно нажать кнопку «Пуск», перейти в «Панель управления», выбрать раздел «Система» и перед вами появится окно, где написано название и частота проца (это если у вас на компе стоит Windows).

Если все-таки необходимо достать устройство, то разберемся с его местоположением.

Вы чувствовали, что ваш ноутбук или системный блок в определенном месте нагревается сильнее? В той части и располагается сам процессор. От перегреваний он защищен кулером (радиатором с вентилятором). Располагается на материнской плате, в основном в центре на так называемом «соккете» (Socket). Socket — это некий разъём на который могут устанавливаться только определённые процы подходящие под него.

Если вы решите разобрать комп в поиске микросхемы, вам необходимо крайне аккуратно снять охлаждающее устройство, и под ним вы найдете искомую вещь. Если хотите ее снять, осторожно отстегните фиксаторы кулера на материнской плате держащие сам подложку проца.

Разница между Intel и AMD

Долго время основными производителями процессоров остаются компании Intel и AMD. Несмотря на такое ограниченное количество ведущих фирм, большинство людей теряются в выборе. Чтобы понять, какой проц подойдет именно в вашем случае, я расскажу о главных различиях между ними.

Первые отличаются высокой производительностью, но за это вам придется выложить немалые средства, если вы захотите топовый процессор от Intel.

Вторые обладают примерно одинаковой скоростью обработки данных и стоят намного дешевле, но у них есть один большой недостаток — тепловыделение намного сильнее.

Но это не значит, что они быстро выходят из строя или выполняют меньше функций. В основном продукцию фирмы AMD берут для игр, а если нужны сложные вычисления типа рендеринга, создание 3D моделей и т.п. то здесь рынок выбирает Intel.

Но это как говорится «статистика», оба производителя создают качественные кристаллы и ничего не случится если вы купите какой нибудь FX от AMD к примеру для видео монтажа. Как говорится дело вкусов.

На этом я думаю пора заканчивать, статья конечно получилась кратенькая, возможно как нибудь копнём поглубже в этой теме:-). Но я думаю базовые моменты описал и надеюсь понятно.

До скорых встреч друзья, подписывайтесь на обновления блога.

CPU (Central Processing Unit) – центральный процессор, главная микросхема в компьютере, его «мозг». Содержит регистровый файл (register file), устройство управления (control unit), устройство управления памятью (MMU), арифметико-логическое устройство (ALU) и другие блоки.

Чем быстрее работает центральный процессор, тем быстрее работает весь ПК. CPU состоит из специальных ячеек, которые называют регистрами, в них находятся команды, которые выполняет процессор, а также данные, которыми оперируют команды. Главными характеристиками центральных процессоров являются быстродействие и разрядность. Под быстродействием понимается количество тактов, выполняемых процессором за секунду. Данный параметр измеряется в мегагерцах (МГц), 1 МГц = 1 000 000 тактов в секунду. Разрядность – это параметр, который является важным для таких устройств компьютера, как внутренние регистры, шина ввода вывода данных, шина адреса памяти.

В настоящее время существует довольно большое разнообразие процессоров, и они постоянно совершенствуются. Ниже приведены основные типы таких CPU.

CISC-процессоры

Complex Instruction Set Computing - вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

RISC-процессоры

Reduced Instruction Set Computing (technology) - вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson). Самая распространённая реализация этой архитектуры представлена процессорами серии PowerPC, включая G3, G4 и G5. Довольно известная реализация данной архитектуры - процессоры серий MIPS и Alpha.

MISC-процессоры

Minimum Instruction Set Computing - вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20–30 команд).

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию системы «Мультипроцессор». На данный момент массово доступны процессоры с двумя ядрами, в частности Intel Core 2 Duo на ядре Conroe и Athlon64X2 на базе микроархитектуры K8.

В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двуядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Duo состоит из двух физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.

10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхьядерные процессоры для серверов AMD Quad-Core Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barc elona. 19 ноября 2007 вышел в продажу четырёхьядерный процессор для домашних компьютеров AMD Quad-Core Phenom. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10). 27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора. Предполагалось, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс, что должно было произойти к 2010 году. В настоящее время распространены процессоры, выполненные по 28 и 22 нанометровому процессу.

В наши дни процессоры играют особую роль только в рекламе, всеми силами стараются убедить, что именно процессор в компьютере является решающим компонентом, особенно такой производитель как Intel. Возникает вопрос: что такое современный процессор, да и вообще, что такое процессор?

Долгое время, а если быть точнее, то вплоть до 90 х годов производительность компьютера определял именно процессор. Процессор определял всё, но сегодня это не совсем так.

Не всё определяется центральным процессором, а процессоры от Intel не всегда предпочтительны чем от AMD. В последнее время заметно возросла роль других компонентов компьютера, а в домашних условиях процессоры редко становятся самым узким местом, но также, как и другие компоненты компьютера нуждаются в дополнительном рассмотрение, по тому что без него не может существовать ни одна вычислительная машина. Сами процессоры давно не удел нескольких видов компьютера , так как и разнообразие компьютеров стало больше.

Процессор (центральный процессор) - это очень сложная микросхема обрабатывающая машинный код, отвечающая за выполнение различных операций и управление компьютерной периферии .

Для краткого обозначения центрально процессора принята аббревиатура — ЦП, а также очень распространено CPU - Central Processing Unit, что переводится как центральное обрабатывающее устройство.

Использование микропроцессоров

Такое устройство как процессор интегрируется практически в любой электронной техники, что говорить о таких устройствах как телевизор и видеоплейер, даже в игрушках, а смартфоны сами по себе уже являются компьютерами, хоть и отличающимися по конструкции.

Несколько ядер центрального процессора могут совершенно разные задачи выполнять независимо друг от друга. Если компьютер выполняет только одну задачу, то и её выполнение ускоряется за счёт распараллеливания типовых операций. Производительность может приобрести довольно чёткую черту.

Коэффициент внутреннего множителя частоты

Сигналы циркулировать внутри кристалла процессора, могут на высокой частоте, хотя обращаться с внешними составляющим компьютера на одной и тоже частоте процессоры пока не могут. В связи с этим частота, на которой работает материнская плата одна, а частота работы процессора другая, более высока.

Частоту, которую процессор получает от материнской платы можно назвать опорной, он же в свою очередь производит её умножение на внутренний коэффициент, результатом чего и является внутренняя частота, называющаяся внутренним множителем.

Возможности коэффициента внутреннего множителя частоты очень часто используют оверлокеры для освобождения разгонного потенциала процессора.

Кеш-память процессора

Данные для последующей работы процессор получает из оперативной памяти , но внутри микросхем процессора сигналы обрабатываются с очень высокой частотой, а сами обращения к модулям ОЗУ проходят с частотой в разы меньше.

Высокий коэффициент внутреннего множителя частоты становится эффективнее, когда вся информация находится внутри него, в сравнение например, чем в оперативной памяти, то есть с наружи.

В процессоре немного ячеек для обработки данных, называемые регистрами, в них он обычно почти ничего не хранит, а для ускорения, как работы процессора, так и вместе с ним компьютерной системы была интегрирована технология кеширования.

Кешем можно назвать небольшой набор ячеек памяти, в свою очередь выполняющих роль буфера. Когда происходит считывание из общей памяти, копия появляется в кеш-памяти центрального процессора. Нужно это для того, чтобы при потребности в тех же данных доступ к ним был прямо под рукой, то есть в буфере, что увеличивает быстродействие.

Кеш-память в нынешних процессорах имеет пирамидальный вид:

Кеш-память 1-го уровня - самая наименьшая по объёму, но в тоже время самая быстрая по скорости, входит в состав кристалла процессора. Производится по тем же технологиям, что и регистры процессора, очень дорогая, но это стоит её скорости и надёжности. Хоть и измеряется сотнями килобайт, что очень мало, но играет огромную роль в быстродействие.
Кеш-память 2-го уровня - так же, как и 1-го уровня расположена на кристалле процессора и работает с частотой его ядра. В современных процессорах измеряется от сотен килобайт до нескольких мегабайт.
Кеш-память 3-го уровня медленнее предыдущих уровней этого вида памяти, но является быстродейственней оперативной памяти, что немаловажно, а измеряется десятками мегабайт.

Размеры кеш-память 1-го и 2-го уровней влияют как на производительность, так и на стоимость процессора. Третий уровень кеш-памяти — это своеобразный бонус в работе компьютера, но не один из производителей микропроцессоров им пренебрегать не спешит. Кеш-память 4-го уровня существует и оправдывает себя лиши в многопроцессорных системах, именно поэтому на обыкновенно компьютере его найти не удастся.

Разъём установки процессора (Soket)

Понимание того, что современные технологии не на столько продвинуты, что процессор сможет получать информацию на расстояние, не переменно он должен крепиться, крепиться к материнской плате, устанавливаться в неё и с ней взаимодействовать. Это место крепление называется Soket и подойдёт только для определённого типа или семейства процессоров, которое у разных производителей тоже различны.

Что такое процессор: архитектура и технологический процесс

Архитектура процессора - это его внутреннее устройство, различное расположение элементов так же обуславливает его характеристики. Сама архитектура присуща целому семейству процессоров, а изменения, внесённые и направленные на улучшения или исправления ошибок, имеют название степпинг.

Технологический процесс определяет размер комплектующих самого процессора и измеряется в нанометрах (нм), а меньшие размеры транзисторов определяют меньший размер самого процессора, на что и направлена разработка будущих CPU.

Энергопотребление и тепловыделение

Само энергопотребление на прямую зависит от технологии, по которым производятся процессоры. Меньшие размеры и повышенные частоты прямо пропорционально обуславливают энергопотребление и тепловыделение.

Для понижения энергопотребления и тепловыделения выступает энергосберегающаяавтоматическая система регулировки нагрузки на процессор, соответственно при отсутствии в производительности какой-либо необходимости. Высокопроизводительные компьютеры в обязательном порядке имеют хорошую системы охлаждения процессора.

Подводя итоги материала статьи - ответа на вопрос, что такое процессор:

Процессоры наших дней имеют возможность многоканальной работы с оперативной памятью, появляются новые инструкции, в свою очередь благодаря которым повышается его функциональный уровень. Возможность обработки графики самим процессором обеспечивает понижение стоимости, как на сами процессоры, так и благодаря им на офисные и домашние сборки компьютеров. Появляются виртуальные ядра для более практичного распределения производительности, развиваются технологи, а вместе с ними компьютер и такая его составляющая как центральный процессор.

Введение
Основные характеристики, мощность процессора
Как выбрать процессор
Некоторые советы по разгону процессоров
Заключение

Введение в понятие компьютерный процессор

Приветствуем вас друзья! Сегодня разберём с вами такой интересный и важный вопрос, что такое процессор в компьютере. Более правильно называть его центральный процессор (ЦП, также ещё его называют чип, камень, проц. и так далее).

Итак, процессор - это главная микросхема, которая занимается обработкой и управлением основными процессами в компьютере. Более наглядно процессор называют мозгом персонального компьютера (ПК), по аналогии с человеческим мозгом, который также выполняет основную работу по обработке и управлению данными у нас.

ЦП очень важен для ПК, именно от него зависит, насколько быстро тот будет работать, осуществлять многие повседневные задачи. Хотя, конечно, в компьютере ещё есть несколько важных компонентов (оперативная память, видеокарта), которые также влияют на скорость работы всей системы.

Чтобы ПК мог постоянно идти в ногу со временем в скорости и производительности работы, то время от времени в нём меняют ЦП и другие детали. Более подробно об этом ниже.

Характеристики и мощность ЦП

Основными характеристиками ЦП являются:

Тактовая частота

То есть это количество выполняемых операций в секунду. Сейчас этот параметр уже измеряется в миллиардах. К примеру, если наблюдали технические данные о каком-либо процессоре, то могли видеть у него значение 2,5 ГГц - это значит 2,5 миллиарда операций в секунду (но это всё равно очень мало по сравнению с человеческим мозгом, производительность которого, в тысячи раз больше).

Достаточно много. Самые мощные сейчас процессоры могут иметь тактовую частоту в 4 или 4,5 ГГц, что обычно требуется для мощных компьютерных игр и программ, для повседневной работы это лишнее.

Количество ядер

Ещё каких-то лет 10 назад почти никто и не помышлял о появлении двух и более ядерных ЦП. Фирмы производители наращивали тактовую частоту, пока не столкнулись с пределом это процесса. Тогда и появилось новое направление - создание двух и более ядер в чипе.

С одной стороны это очень хорошо. Поскольку даёт возможность процессору работать в два раза быстрее. Но с другой, без соответствующей программного сопровождения это реализовать нельзя. Всё дело в том, что любые детали компьютера не работают сами по себе.

Они способны функционировать только, если под это написаны специальные программные инструкции. Если таковых не будет, то толку от какой-либо новой технологии вообще не будет. Так и здесь, если на двухъядерном ЦП запустить выполняться программы, которые разработаны для одноядерных, то они и будут работать только под одно ядро, то есть увеличение скорости не произойдёт, второе ядро будет просто не задействовано.

Вот так примерно обстоят дела с появлением многочиповых ЦП. Хотя сейчас эта проблема уже решена. Почти все выходящие программы оптимизированы под работу на многоядерных процессорах (там, где это нужно). Само собой это игры, обработка видео, изображение, моделирование, разработка и так далее.

Энергопотребление

Важно понимать, что с повышением мощности растут и затраты на требуемую для функционирования энергию. Это очень важно, потому, что большое энергопотребление ведёт только к денежным тратам, увеличенному тепловыделению. Поэтому разработчики постоянно ведут работу по снижению энергопотребления.

Разрядность

Если коротко то - это поддержка процессором той или иной архитектуры работы. Обычно это 32-х или 64-х битная. В 64-х битной кроются большие возможности, сейчас она повсеместно входит в обиход. Все современные ЦП поддерживают 64 бита, поэтому это вопрос однозначный и ошибиться в нём нельзя. Более подробно разобраться в этом вопросе можно в статье, какая разница между 32-х и 64-х битной разрядностью операционной системы .

Как выбрать процессор

Вообще их присутствует большое многообразие на любой вкус и потребности. Но при несильно требовательных запросах его выбрать несложно. Для начал стоит определиться, для каких целей будет использоваться компьютер, если только для работы и мелких развлечений (маленькие игры, просмотр фильмов, музыка, сёрфинг в интернете), то здесь всё просто - вам подойдёт самый недорогой современный чип.

Если занимаетесь серьёзной сложной работой, требующей мощного сбалансированного компьютера, то здесь немного сложнее. Нужно обратить внимание на такие моменты:

Многоядерность - 4 и более ядер
Высокая тактовая частота - 2,5 и выше гигагерц
Кэш третьего уровня не менее 6 мегабайт

Соответствуя, таким основным рекомендациям можно хоть как-то рассчитывать на хороший и производительный экземпляр. Но правильнее будет, выбрать модель и посмотреть информацию о ней в интернете, к примеру, тесты производительности, отзывы и др.

Он должен подходить по разъёму в материнскую плату, это нужно на 100% уточнить до покупки. На рынке присутствуют 2 основные производителя ЦП - это Intel и AMD. Каждая из этих фирм выпускает различные линейки ЦП с определённым разъёмом, который нужно знать и уже под него подбирать материнскую плату, то есть плату, куда он впоследствии устанавливается для постоянной работы.

Процессор хрупкая деталь, поэтому ни в коем случае не роняем его, не стучим по нему, не бросаем в сумку.
После его установки, на него обязательно нужно нанести термопасту (теплопроводящая паста), что это такое читаем в статье чистка от пыли и замена её в ноутбуке , логика одинаковая. Если забыть про нанесение термопасты, то ЦП будет перегреваться и нестабильно работать, в конечном счёте, вообще сгорит. Более того, высохшая термопаста и пыль одни из основных причин поломки ноутбуков и компьютеров.

Важно подобрать правильное охлаждение для ЦП. Дело в том, что процессоры разных серий могут греться по-разному. Соответственно и кулер (это вентилятор с радиатором для охлаждения) на него выбираются индивидуально. Это несложно, если знать его тепловыделение, с таким же значением или выше нужно покупать и кулер.

Вообще разгон - это самостоятельное увеличение его технических характеристик, обычно это повышение тактовой частоты, напряжения или разблокировка ядер (если присутствует такая возможность).

Крайне не рекомендуем его делать, если это не разрешено заводом производителем. Если вопреки этому будете действовать, то можете просто испортить его. Другое дело, когда сам производитель разрешает это делать, более того вывел специальную функцию для этого, иногда нужно просто нажать одну кнопку или выбрать соответствующее значение.

В таком случае да, если считаете нужным повысить характеристики ЦП, то это можно сделать. Но опять же не забываем про охлаждение и термопасту. Если не удостовериться в этих моментах, то опять же можно испортить ЦП.

Заключение

По представленной выше информации, надеемся можно сформировать общее представление о том, что такое процессор, каковы его характеристики и как его правильно использовать.

Intel 80486DX2 в керамическом корпусе PGA.

Intel Celeron 400 socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид снизу.

Intel Celeron 400 socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид сверху.

Intel Celeron 1100 socket 370 в корпусе FC-PGA2, вид снизу.

Intel Celeron 1100 socket 370 в корпусе FC-PGA2, вид сверху.

Центра́льный проце́ссор (ЦП ; CPU - англ. céntral prócessing únit , дословно - центральное вычислительное устройство ) - исполнитель машинных инструкций , часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера , отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами . С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ . Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы . Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров , а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях , калькуляторах , мобильных телефонах и даже в детских игрушках . Чаще всего они представлены микроконтроллерами , где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом .

Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Этапы цикла выполнения:

Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд , на шину адреса , и отдаёт памяти команду чтения;
Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных , и сообщает о готовности;
Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
Если последняя команда не является командой перехода , процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода - тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания .

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором . Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой .

Конвейерная архитектура

Конвейерная архитектура (pipelining ) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ , дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

получение и декодирование инструкции (Fetch)
адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)
выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)
сохранение результата операции (Store)

После освобождения k -й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);
очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)

Суперскалярная архитектура

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.