ปัจจุบันเกือบทุกบ้านมีคอมพิวเตอร์ มันยากที่จะจินตนาการถึงชีวิตในปัจจุบันโดยปราศจากมัน ค้นหาข้อมูลที่จำเป็น ดูข่าวและสภาพอากาศ ซื้อและขายสินค้า ชมภาพยนตร์และรายการต่างๆ ทั้งหมดนี้สามารถทำได้โดยไม่ต้องออกจากบ้านและโดยไม่ต้องใช้ความพยายามใดๆ ความพยายามพิเศษ- คุณเพียงแค่ต้องเปิดคอมพิวเตอร์และออนไลน์

แต่มีเพียงไม่กี่คนที่คิดว่าคอมพิวเตอร์ประกอบด้วยอะไรบ้างซึ่งคุณสามารถรับข้อมูลที่จำเป็นทั้งหมดได้อย่างรวดเร็ว หนึ่งในองค์ประกอบหลักของคอมพิวเตอร์คือโปรเซสเซอร์ เมื่อทราบวิธีการทำงานของโปรเซสเซอร์แล้ว คุณสามารถชี้แจงสิ่งใหม่ ๆ มากมายให้กับตัวคุณเองได้

โปรเซสเซอร์คืออะไร

ซีพียูหรือที่เรียกกันในโลกของวิทยาการคอมพิวเตอร์ว่า CPU เป็นส่วนประกอบหลักของคอมพิวเตอร์ทุกเครื่อง มันคือหัวใจและสมอง เป็นตัวประมวลผลที่ดำเนินการคำสั่งทั้งหมดที่ระบุโดยผู้ใช้ ประมวลผลข้อมูลทั้งหมด และควบคุมอุปกรณ์คอมพิวเตอร์อื่นๆ

ปัจจุบันผู้ผลิตโปรเซสเซอร์หลัก ได้แก่ อินเทลและ Advanced Micro Devices (AMD) ซึ่ง เวลานานมีอยู่ในตลาด เทคโนโลยีสารสนเทศและแสดงตัวด้วยเท่านั้น ด้านที่ดีที่สุด- โดยปกติแล้วจะมีผู้ผลิตรายอื่น แต่ก็ยังห่างไกลจากระดับของบริษัทยักษ์ใหญ่เหล่านี้ เป็นที่น่าสนใจที่ Intel และ AMD ต่อสู้กันอย่างต่อเนื่องเพื่อความเป็นอันดับหนึ่งในการผลิตโปรเซสเซอร์โดยสลับกันคว้าตำแหน่งแรกเมื่อเปิดตัวรุ่นใหม่ น่าแปลกที่การต่อสู้ครั้งนี้เป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนาเชิงคุณภาพอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีสารสนเทศในด้านนี้

รูปร่าง

คุณต้องเริ่มตรวจสอบอุปกรณ์โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์จากอุปกรณ์นั้น รูปร่าง- มองแว่บแรกก็เป็นเพียงกล่องโลหะที่มี ด้านหลังซึ่งตั้งอยู่ ค่าธรรมเนียมเล็กน้อยขนาดประมาณ 5x5 ซม. และ ผู้ติดต่อต่างๆซึ่งต่อโปรเซสเซอร์ไว้ด้วย เมนบอร์ด- ตรงกลางของโปรเซสเซอร์มีเงินหลายล้านหรือบางครั้งก็ถึงพันล้านด้วยซ้ำ ทรานซิสเตอร์ต่างๆซึ่งทำงานหลัก

โปรเซสเซอร์ทำมาจากอะไร?

โปรเซสเซอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยทรายหรือซิลิกอนซึ่งมีเพียง 30% เท่านั้นที่อยู่ในเปลือกโลก กระบวนการขึ้นรูปโปรเซสเซอร์ค่อนข้างซับซ้อนและต้องใช้อุปกรณ์พิเศษและค่าวัสดุ กล่าวโดยสรุปแผนการผลิตโปรเซสเซอร์ค่อนข้างคล้ายกับเทคโนโลยีการพิมพ์ภาพถ่าย - ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ด้วยแสงในการผลิต บทบาทของการถ่ายภาพที่นี่เล่นโดย "แพนเค้ก" - โปรเซสเซอร์ในอนาคตซึ่งใช้โบรอนไอออนเร่งความเร็วสูงในตัวเร่งความเร็วแบบพิเศษสร้างโครงสร้างขนาดเล็กที่มีทรานซิสเตอร์จำนวนมาก และยิ่งบางลง กระบวนการยิ่งพลังและความเร็วของการทำงานของโครงสร้างนี้ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ทุกปีขนาดของสิ่งเหล่านี้ องค์ประกอบโครงสร้างตามที่นักวิทยาศาสตร์ระบุ พวกมันสามารถเข้าถึงได้เพียงประมาณ 15 นาโนเมตรเท่านั้น

คุณสามารถถอดฝาครอบออกและดูได้ โครงสร้างภายในโปรเซสเซอร์ แต่มีความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหายต่อชิ้นส่วนที่ดีที่สุดของโปรเซสเซอร์ ซึ่งอาจทำให้ใช้งานไม่ได้

ส่วนประกอบ

เมื่อเวลาผ่านไป การออกแบบและการทำงานของโปรเซสเซอร์จะเปลี่ยนไปในเชิงคุณภาพ ขนาดของโปรเซสเซอร์ก็ลดลงเช่นกัน ทุกวันนี้มีการใช้หลักการเดียวกันในการสร้างโปรเซสเซอร์เหมือนเมื่อก่อน แต่ขนาดของส่วนประกอบเท่านั้นที่เปลี่ยนไป

ด้านในของโปรเซสเซอร์ก็ค่อนข้างน่าสนใจเช่นกัน ประกอบด้วย สถาปัตยกรรมทั่วไป- ทุกอย่างซึ่งรวมถึงบอร์ด, คอร์ (ขึ้นอยู่กับการทำงานที่ความเร็วของคอมพิวเตอร์ขึ้นอยู่กับ), บัส (เมาท์ที่เชื่อมต่อกับเมนบอร์ด) รวมถึงการแก้ไข (อนุภาคที่เล็กกว่าคอร์ แต่ยังมีขนาดใหญ่มากเช่นกัน สำคัญและใช้งานได้จริง)

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์

ปฏิกิริยาคอมพิวเตอร์ต่อ ได้รับคำสั่งอาจขึ้นอยู่กับตัวบ่งชี้หลายประการ: จำนวนคอร์, จำนวนเธรด (อาจไม่ตรงกับจำนวนคอร์), ขนาดแคช - หน่วยความจำภายในของโปรเซสเซอร์, ความถี่สัญญาณนาฬิกา, ความเร็วบัสรวมถึงกระบวนการผลิตของ โปรเซสเซอร์นั่นเอง

หลักการทำงาน

เมื่อศึกษาอุปกรณ์โดยละเอียดแล้วเราสามารถพิจารณาหลักการทำงานของโปรเซสเซอร์ได้แล้ว คอมพิวเตอร์เริ่มทำงานหลังจากได้รับคำสั่งบางอย่างจากผู้ใช้

แต่มีน้อยคนที่รู้ว่าคำสั่งใด ๆ ประกอบด้วยสองส่วน - การดำเนินงานและตัวถูกดำเนินการ:

• ส่วนปฏิบัติการของคำสั่งจะแสดงสิ่งที่คอมพิวเตอร์ควรทำ
• ส่วนที่สองของคำสั่งจะให้ตัวถูกดำเนินการโปรเซสเซอร์ - สิ่งที่โปรเซสเซอร์ควรทำงาน

โปรเซสเซอร์บางตัวอาจมีสองไปป์ไลน์ นั่นคือ หน่วยประมวลผล แต่ละคนแบ่งการดำเนินการของคำสั่งที่ผู้ใช้มอบให้คอมพิวเตอร์ออกเป็นหลายขั้นตอน: การสร้าง, การถอดรหัส (เช่นการถอดรหัสคำสั่ง), การดำเนินการของคำสั่งเอง, การเข้าถึงหน่วยความจำของโปรเซสเซอร์และการจัดเก็บผลลัพธ์ที่ได้รับ ขั้นตอนทั้งหมดนี้เสร็จสิ้นแล้วใน โดยเร็วที่สุด- เมื่อสายพานลำเลียงทำงาน แต่ละขั้นตอนจะได้รับการจัดสรรหนึ่งรอบสัญญาณนาฬิกาที่มีความถี่เท่ากัน ดังนั้นการดำเนินการของแต่ละคำสั่งในโปรเซสเซอร์จึงได้รับการจัดสรรห้ารอบสัญญาณนาฬิกา

การแคชหน่วยความจำของโปรเซสเซอร์ใด ๆ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ทุกวันนี้เป็นเรื่องปกติที่จะใช้หน่วยความจำแคชสองอัน เนื่องจาก... การใช้อย่างใดอย่างหนึ่งทำให้เกิดข้อขัดแย้งเมื่อดำเนินการคำสั่ง นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าบ่อยครั้งที่ทั้งสองทีมพยายามดึงข้อมูลจากแคชเดียวกัน การแยกแคชช่วยลดการเกิดสถานการณ์ดังกล่าวโดยสิ้นเชิง และช่วยให้สามารถดำเนินการสองคำสั่งพร้อมกันได้

เมื่อทำความเข้าใจว่าโปรเซสเซอร์ของคอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร ก็ควรพิจารณาสิ่งนั้น โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์มีประเภทที่แตกต่างกัน: เชิงเส้น, ไซคลิกและการแยกสาขา

• ตัวประมวลผลเชิงเส้นดำเนินการคำสั่งขึ้นอยู่กับลำดับที่เขียนใน RAM
• ตัวประมวลผลแบบวนและแบบแยกย่อยจะดำเนินการคำสั่งโดยขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ของการตรวจสอบเงื่อนไขของการแยกสาขา

สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่าบัสประมวลผลทำงานอย่างไร มีสองอย่าง หนึ่งคือ บัสด่วนทำงานร่วมกับแคชระดับที่สอง บัสที่สอง (ช้ากว่า) ได้รับการออกแบบมาเพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลกับอุปกรณ์อื่น

คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลเป็นสิ่งที่ซับซ้อนและมีหลายแง่มุม แต่ในทุก ๆ ด้าน หน่วยระบบเราจะพบศูนย์กลางของการทำงานและกระบวนการทั้งหมด - ไมโครโปรเซสเซอร์ โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ประกอบด้วยอะไรและเหตุใดจึงยังจำเป็น

หลายคนคงจะดีใจที่ได้รู้ว่าไมโครโปรเซสเซอร์ของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลประกอบด้วยอะไร ประกอบด้วยหินและหินธรรมดาเกือบทั้งหมด

ใช่แล้ว... โปรเซสเซอร์ประกอบด้วยสารต่างๆ เช่น ซิลิคอน ซึ่งเป็นวัสดุชนิดเดียวกับที่ทำจากทรายและหินแกรนิต

โปรเซสเซอร์ฮอฟฟา

ไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกสำหรับคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อเกือบครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา - ในปี 1970 โดย Marchian Edward Hoff และทีมวิศวกรของเขาจาก Intel

โปรเซสเซอร์ตัวแรกของ Hoff ทำงานที่ 750 kHz เท่านั้น

แน่นอนว่าคุณสมบัติหลักของโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันไม่สามารถเทียบได้กับตัวเลขข้างต้น "หิน" ในปัจจุบันมีพลังมากกว่าบรรพบุรุษหลายพันเท่าและก่อนหน้านั้นจะเป็นการดีกว่าที่จะทำความคุ้นเคยกับปัญหาที่ มันแก้ปัญหาได้

หลายๆ คนเชื่อว่าโปรเซสเซอร์สามารถ "คิด" ได้ ต้องบอกทันทีว่าไม่มีความจริงในเรื่องนี้ โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่ทรงพลังเป็นพิเศษประกอบด้วยทรานซิสเตอร์จำนวนมาก - สวิตช์ดั้งเดิมที่ทำหน้าที่เดียว - เพื่อส่งสัญญาณหรือหยุดสัญญาณ ทางเลือกขึ้นอยู่กับแรงดันสัญญาณ

หากคุณมองจากอีกด้านหนึ่ง คุณจะเห็นว่าไมโครโปรเซสเซอร์ประกอบด้วยอะไรบ้าง และประกอบด้วยรีจิสเตอร์ - เซลล์ประมวลผลข้อมูล

ในการเชื่อมต่อ "หิน" กับอุปกรณ์อื่น ๆ ของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลจะใช้ถนนความเร็วสูงพิเศษที่เรียกว่า "รถบัส" สัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าเล็กๆ จะ “บิน” ไปตามมันด้วยความเร็วดุจสายฟ้า นี่คือหลักการทำงานของคอมพิวเตอร์หรือโปรเซสเซอร์แล็ปท็อป

อุปกรณ์ไมโครโปรเซสเซอร์

โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร ในไมโครโปรเซสเซอร์ใด ๆ มีส่วนประกอบ 3 ส่วน:

1. แกนประมวลผล (นี่คือจุดที่การแยกศูนย์และศูนย์เกิดขึ้น)
2. หน่วยความจำแคชเป็นที่จัดเก็บข้อมูลขนาดเล็กภายในโปรเซสเซอร์
3. โปรเซสเซอร์ร่วมเป็นศูนย์กลางสมองพิเศษของโปรเซสเซอร์ใด ๆ ที่มีมากที่สุด การดำเนินงานที่ซับซ้อน- นี่คือที่ที่เราทำงานกับไฟล์มัลติมีเดีย

วงจรโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์เวอร์ชันย่อมีลักษณะดังนี้:

หนึ่งในตัวบ่งชี้หลักของไมโครโปรเซสเซอร์คือความถี่สัญญาณนาฬิกา มันแสดงจำนวนรอบที่ "หิน" ทำต่อวินาที พลังของโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ขึ้นอยู่กับการรวมกันของตัวบ่งชี้ที่ให้ไว้ข้างต้น

ควรสังเกตว่ากาลครั้งหนึ่งการปล่อยจรวดและการทำงานของดาวเทียมถูกควบคุมโดยไมโครโปรเซสเซอร์ที่มีความถี่สัญญาณนาฬิกาต่ำกว่า "พี่น้อง" ในปัจจุบันหลายพันเท่า และขนาดของทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งคือ 22 นาโนเมตร ชั้นของทรานซิสเตอร์มีขนาดเพียง 1 นาโนเมตร สำหรับการอ้างอิง 1 นาโนเมตรคือความหนา 5 อะตอม!

ตอนนี้คุณรู้แล้วว่าโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไรและนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานในบริษัทผู้ผลิตคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลประสบความสำเร็จอะไรบ้าง

คุณใช้คอมพิวเตอร์หรือ อุปกรณ์เคลื่อนที่เพื่ออ่านหัวข้อนี้ในปัจจุบัน คอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์พกพาใช้ไมโครโปรเซสเซอร์เพื่อดำเนินการเหล่านี้ ไมโครโปรเซสเซอร์เป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์ เซิร์ฟเวอร์ หรือแล็ปท็อป ไมโครโปรเซสเซอร์มีหลากหลายยี่ห้อมากที่สุด ผู้ผลิตที่แตกต่างกันแต่พวกเขาทั้งหมดทำสิ่งเดียวกันและในลักษณะเดียวกัน

ไมโครโปรเซสเซอร์- เรียกอีกอย่างว่าโปรเซสเซอร์หรือ บล็อกกลางการประมวลผลคือกลไกการประมวลผลที่ผลิตขึ้นบนชิปตัวเดียว ไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกคือ Intel 4004 ซึ่งปรากฏในปี 1971 และไม่มีพลังมากนัก มันสามารถเพิ่มและลบได้ และมีเพียง 4 บิตในแต่ละครั้ง โปรเซสเซอร์นั้นน่าทึ่งมากเพราะมันถูกสร้างขึ้นบนชิปตัวเดียว ทำไมคุณถาม? และฉันจะตอบ: วิศวกรในเวลานั้นผลิตโปรเซสเซอร์จากชิปหลายตัวหรือจากส่วนประกอบที่แยกจากกัน (ใช้ทรานซิสเตอร์ในแพ็คเกจแยกกัน)

หากคุณเคยสงสัยว่าไมโครโปรเซสเซอร์ทำอะไรในคอมพิวเตอร์ มีลักษณะอย่างไร หรือแตกต่างจากไมโครโปรเซสเซอร์ประเภทอื่นอย่างไร ให้ไปที่นี่ ใต้แมว- มีสิ่งที่น่าสนใจและรายละเอียดทั้งหมดอยู่ที่นั่น

ความก้าวหน้าในการผลิตไมโครโปรเซสเซอร์: Intel

ไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกซึ่งต่อมาได้กลายเป็นหัวใจสำคัญของความเรียบง่าย คอมพิวเตอร์ที่บ้านคือ Intel 8080 ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์ 8 บิตที่สมบูรณ์แบบบนชิปตัวเดียว เปิดตัวในปี 1974 ไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกทำให้เกิดการกระเซ็นในตลาด ต่อมาได้รับการปล่อยตัวในปี 1979 รุ่นใหม่- Intel 8088 หากคุณคุ้นเคยกับตลาดพีซีและประวัติความเป็นมา คุณจะรู้ว่าตลาดพีซีได้ย้ายจาก Intel 8088 ไปเป็น Intel 80286 และเปลี่ยนมาเป็น Intel 80386 และ Intel 80486 จากนั้นจึงย้ายไปยัง Pentium Pentium II, Pentium III และ Pentium 4 ไมโครโปรเซสเซอร์เหล่านี้ทั้งหมดผลิตโดย Intel และทั้งหมดนี้ได้รับการปรับปรุงจากการออกแบบพื้นฐานของ Intel 8088 Pentium 4 สามารถรันโค้ดใดๆ ก็ได้ แต่ทำงานได้เร็วกว่าถึง 5,000 เท่า

ในปี พ.ศ. 2547 ปี อินเทลเปิดตัวไมโครโปรเซสเซอร์ที่มีหลายคอร์และทรานซิสเตอร์หลายล้านตัว แต่แม้แต่ไมโครโปรเซสเซอร์เหล่านี้ก็ยังตามมา กฎทั่วไปเช่นเดียวกับชิปที่ผลิตก่อนหน้านี้ ข้อมูลเพิ่มเติมในตาราง:

• วันที่: เป็นปีที่เปิดตัวโปรเซสเซอร์ครั้งแรก โปรเซสเซอร์จำนวนมากได้รับการเผยแพร่อีกครั้งด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นเป็นเวลาหลายปีหลังจากวันที่วางจำหน่ายครั้งแรก
• ทรานซิสเตอร์: นี่คือจำนวนทรานซิสเตอร์บนชิป คุณจะเห็นว่าจำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปตัวเดียวมีการเติบโตอย่างต่อเนื่องตลอดหลายปีที่ผ่านมา
• ไมครอน: ความกว้างเป็นไมครอนของเส้นลวดที่เล็กที่สุดบนชิป เพื่อการเปรียบเทียบ ฉันสามารถอ้างอิงถึงเส้นผมของมนุษย์ซึ่งมีความหนาประมาณ 100 ไมครอน เมื่อขนาดมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จำนวนทรานซิสเตอร์ก็เพิ่มขึ้น
• ความถี่สัญญาณนาฬิกา: ความเร็วสูงสุดซึ่งชิปสามารถพัฒนาได้ ฉันจะบอกคุณเกี่ยวกับความถี่สัญญาณนาฬิกาในภายหลัง
• ความกว้างของข้อมูล (บัส): คือความกว้างของ ALU (หน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์) ALU 8 บิตสามารถเพิ่ม ลบ คูณ ฯลฯ ในหลายกรณี บัสข้อมูลจะมีความกว้างเท่ากับ ALU แต่ก็ไม่เสมอไป Intel 8088 นั้นเป็น 16 บิตและมีบัส 8 บิตในขณะที่ โมเดลที่ทันสมัยเพนเทียม 64 บิต
• เอ็มไอพีเอส: คอลัมน์นี้ในตารางหมายถึงการแสดงจำนวนการดำเนินการต่อวินาที เป็นหน่วยวัดไมโครโปรเซสเซอร์ โปรเซสเซอร์สมัยใหม่สามารถทำสิ่งต่างๆ มากมายจนการให้คะแนนในปัจจุบันที่แสดงในตารางหมดความหมายไป แต่คุณจะสัมผัสได้ถึงพลังที่สัมพันธ์กันของไมโครโปรเซสเซอร์ในสมัยนั้น

จากตารางนี้ คุณจะเห็นว่าโดยทั่วไปมีความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วสัญญาณนาฬิกากับ MIPS (จำนวนการดำเนินการต่อวินาที) ความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูงสุดเป็นหน้าที่ของโปรเซสเซอร์ที่ใช้งานจริง นอกจากนี้ยังมีความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนทรานซิสเตอร์กับจำนวนการทำงานต่อวินาที ตัวอย่างเช่น Intel 8088 ที่โอเวอร์คล็อกที่ 5 MHz (ปัจจุบันคือ 2.5-3 GHz) ดำเนินการเพียง 0.33 MIPS (ประมาณหนึ่งคำสั่งสำหรับทุก ๆ 15 รอบสัญญาณนาฬิกา) โปรเซสเซอร์สมัยใหม่มักจะดำเนินการสองคำสั่งต่อรอบสัญญาณนาฬิกา การเพิ่มขึ้นนี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับจำนวนทรานซิสเตอร์บนชิป และฉันจะพูดถึงเรื่องนี้ในภายหลัง

ชิปคืออะไร?

ชิปเรียกอีกอย่างว่า วงจรรวม- โดยปกติจะเป็นซิลิคอนชิ้นเล็กๆ บางๆ ที่ถูกสลักไว้บนทรานซิสเตอร์ที่ประกอบเป็นไมโครโปรเซสเซอร์ ชิปอาจมีขนาด 1 นิ้ว แต่ยังคงมีทรานซิสเตอร์หลายสิบล้านตัว มากกว่า โปรเซสเซอร์ที่เรียบง่ายอาจประกอบด้วยทรานซิสเตอร์หลายพันตัวที่สลักอยู่บนชิปที่มีขนาดเพียงไม่กี่ตารางมิลลิเมตร

วิธีนี้ทำงานอย่างไร

อินเทล เพนเทียม 4

เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานของไมโครโปรเซสเซอร์ การพิจารณาดูภายในและเรียนรู้เกี่ยวกับระบบภายในจะเป็นประโยชน์ ในกระบวนการนี้ คุณยังสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับภาษาแอสเซมบลีได้ด้วย - ภาษาพื้นเมืองไมโครโปรเซสเซอร์ และหลายๆ สิ่งที่วิศวกรสามารถทำได้เพื่อเพิ่มความเร็วของโปรเซสเซอร์

ไมโครโปรเซสเซอร์ดำเนินการชุดคำสั่งเครื่องเพื่อบอกโปรเซสเซอร์ว่าต้องทำอะไร ตามคำแนะนำ ไมโครโปรเซสเซอร์ทำหน้าที่หลักสามประการ:

• ไมโครโปรเซสเซอร์สามารถทำงานได้โดยใช้ ALU (หน่วยลอจิกทางคณิตศาสตร์) การดำเนินการทางคณิตศาสตร์- เช่น การบวก ลบ การคูณ การหาร ไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่สามารถดำเนินการที่ซับซ้อนอย่างยิ่งได้
• ไมโครโปรเซสเซอร์สามารถย้ายข้อมูลจากตำแหน่งหน่วยความจำหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่งได้
• ไมโครโปรเซสเซอร์สามารถตัดสินใจและย้ายไปยังชุดคำสั่งใหม่ตามการตัดสินใจเหล่านั้น

พูดตรงๆ ไมโครโปรเซสเซอร์ทำสิ่งที่ซับซ้อน แต่ข้างต้นฉันได้อธิบายกิจกรรมหลักสามประการไว้ข้างต้น แผนภาพต่อไปนี้แสดงไมโครโปรเซสเซอร์ธรรมดาที่สามารถทำสามสิ่งนี้ได้ ไมโครโปรเซสเซอร์นี้มี:

• แอดเดรสบัส (8, 16 หรือ 32 บิต) ที่ส่งการเข้าถึงหน่วยความจำ
• บัสข้อมูล (8, 16 หรือ 32 บิต) ที่ส่งข้อมูลไปยังหน่วยความจำหรือรับข้อมูลจากหน่วยความจำ
• RD (อ่าน) และ WR (เขียน) บอกหน่วยความจำว่าต้องการตั้งค่าหรือรับตำแหน่งที่อยู่หรือไม่
• เส้นสัญญาณนาฬิกาที่ให้คุณดูลำดับของพัลส์นาฬิกาของโปรเซสเซอร์
• รีเซ็ตบรรทัดซึ่งจะรีเซ็ตตัวนับโปรแกรมเป็นศูนย์และรีสตาร์ทการดำเนินการ

หน่วยความจำไมโครโปรเซสเซอร์

ก่อนหน้านี้เราได้พูดคุยเกี่ยวกับบัสแอดเดรสและข้อมูล เช่นเดียวกับการอ่านและเขียนบรรทัด ทั้งหมดนี้เชื่อมต่อกับ RAM (หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม) หรือ ROM (หน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวหรือหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว ROM) - โดยปกติจะเป็นทั้งสองอย่าง ในตัวอย่างไมโครโปรเซสเซอร์ของเรา เรามีบัสที่อยู่แบบกว้าง 8 บิต และบัสข้อมูลที่มีความกว้างเท่ากัน - 8 บิตเช่นกัน ซึ่งหมายความว่าไมโครโปรเซสเซอร์สามารถเข้าถึงหน่วยความจำได้ 2^8 ถึง 256 ไบต์ และสามารถอ่านและเขียนหน่วยความจำได้ครั้งละ 8 บิต สมมติว่าไมโครโปรเซสเซอร์แบบธรรมดานี้มีหน่วยความจำบนชิปขนาด 128 ไบต์ เริ่มต้นที่ที่อยู่ 0 และ RAM ขนาด 128 ไบต์ เริ่มต้นที่ที่อยู่ 128

RAM ย่อมาจากหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว ชิป หน่วยความจำถาวรโปรแกรมด้วยไบต์เป้าหมายที่ตั้งไว้ล่วงหน้าคงที่ ที่อยู่บัสจะบอกชิป RAM ว่าไบต์ใดที่จะเข้าถึงและพอดีกับบัสข้อมูล เมื่อบรรทัดอ่านเปลี่ยนสถานะ ชิปหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวจะแสดงไบต์ที่เลือกไปยังบัสข้อมูล

แรมย่อมาจาก แรม, ฮ่าๆ. RAM ประกอบด้วยไบต์ของข้อมูล และไมโครโปรเซสเซอร์สามารถอ่านหรือเขียนไบต์เหล่านี้ได้ ขึ้นอยู่กับว่าบรรทัดนั้นส่งสัญญาณการอ่านหรือเขียน ปัญหาประการหนึ่งที่พบในชิปในปัจจุบันคือพวกเขาจะลืมทุกสิ่งทันทีที่พลังงานหมด ดังนั้นคอมพิวเตอร์จะต้องมี RAM

ชิป RAM หรือชิปหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว (ROM)

อย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์เกือบทั้งหมดมี RAM อยู่จำนวนหนึ่ง บน คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลถาวรเรียกว่า BIOS (ระบบอินพุต/เอาท์พุตพื้นฐาน) เมื่อไมโครโปรเซสเซอร์เริ่มทำงาน จะเริ่มดำเนินการตามคำแนะนำที่พบใน BIOS คำแนะนำไบออสยังไงก็ตามยังทำหน้าที่ของพวกเขาด้วย: พวกเขาตรวจสอบฮาร์ดแวร์แล้วข้อมูลทั้งหมดจะไปที่ ฮาร์ดไดรฟ์เพื่อสร้างบูตเซกเตอร์ บูตเซกเตอร์เป็นโปรแกรมขนาดเล็กตัวหนึ่ง และ BIOS จะเก็บไว้ในหน่วยความจำหลังจากอ่านจากดิสก์ ไมโครโปรเซสเซอร์จะเริ่มดำเนินการตามคำสั่ง บูตเซกเตอร์จากแรม โปรแกรมบูตเซกเตอร์จะแสดงไมโครโปรเซสเซอร์ว่าต้องทำอะไรอีกบ้าง ฮาร์ดไดรฟ์ลงใน RAM แล้วทำทั้งหมดนี้และอื่นๆ นี่คือวิธีที่ไมโครโปรเซสเซอร์โหลดและรันระบบปฏิบัติการทั้งหมด

คำแนะนำไมโครโปรเซสเซอร์

แม้แต่ไมโครโปรเซสเซอร์ที่เรียบง่ายอย่างไม่น่าเชื่อที่ฉันเพิ่งอธิบายไปก็ยังมีชุดคำสั่งที่ค่อนข้างใหญ่ที่สามารถดำเนินการได้ การรวบรวมคำสั่งจะถูกนำไปใช้เป็นรูปแบบบิต ซึ่งแต่ละรูปแบบจะมีความหมายที่แตกต่างกันเมื่อโหลดลงในเซกเตอร์คำสั่ง ผู้คนไม่ค่อยเก่งในการจำรูปแบบบิตเนื่องจากเป็นชุดคำสั้นๆ อย่างไรก็ตาม คำสั้น ๆ ชุดนี้เรียกว่าภาษาแอสเซมบลีของโปรเซสเซอร์ แอสเซมเบลอร์สามารถแปลคำศัพท์เป็นรูปแบบบิตได้อย่างง่ายดาย จากนั้นความพยายามของแอสเซมเบลอร์จะถูกใส่ลงในหน่วยความจำเพื่อให้ไมโครโปรเซสเซอร์ดำเนินการ

นี่คือชุดคำสั่งภาษาแอสเซมบลี:

• โหลดมาเลย- โหลดเข้าสู่การลงทะเบียนด้วยที่อยู่หน่วยความจำ
• LOADB เมม- โหลดเข้าสู่ register B จากที่อยู่หน่วยความจำ
• CONB เมม- โหลดค่าคงที่ลงในรีจิสเตอร์ B
• บันทึกความทรงจำ- บันทึกการลงทะเบียน B ไปยังที่อยู่หน่วยความจำ
• บันทึกของ SAVEC- บันทึกการลงทะเบียน C ไปยังที่อยู่หน่วยความจำ
• เพิ่ม- เพิ่ม A และ B และเก็บผลลัพธ์ไว้ใน C
• ย่อย- ลบ A และ B แล้วเก็บผลลัพธ์ไว้ใน C
• ม.ล- คูณ A และ B แล้วเก็บผลลัพธ์ไว้ใน C
• กรม- แยก A และ B แล้วเก็บผลลัพธ์ไว้ที่ C
• คอม- เปรียบเทียบ A และ B และบันทึกผลลัพธ์ในการทดสอบ
• กระโดดเพิ่ม- ไปที่ที่อยู่
• เพิ่ม JEQ- ไปถ้าเท่ากับแก้
• ส่วนเสริม JNEQ- ไปถ้าไม่เท่ากับแก้
• เจจี แอดดร- ไปถ้ามากกว่านั้นเพื่อแก้ปัญหา
• สารเติมแต่ง JGE- ไปถ้ามากกว่าหรือเท่ากับแก้
• เจแอล แอดดร- ไปถ้าน้อยไปแก้
• สารเติมแต่ง JLE- ไปถ้าน้อยกว่าหรือเท่ากับแก้
• หยุด- หยุดการดำเนินการ

ภาษาแอสเซมบลี
คอมไพเลอร์ C แปลรหัส C นี้เป็นภาษาแอสเซมบลี หากเราถือว่า RAM เริ่มต้นที่ที่อยู่ 128 ในโปรเซสเซอร์นี้ และ ROM (ซึ่งมีโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี) เริ่มต้นที่ที่อยู่ 0 ดังนั้นสำหรับไมโครโปรเซสเซอร์ธรรมดาของเรา แอสเซมเบลอร์อาจมีหน้าตาดังนี้:

// สมมติว่า a อยู่ที่ที่อยู่ 128 // สมมติว่า F อยู่ที่ที่อยู่ 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // ถ้า a > 5 ข้ามไปที่ 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // วนกลับไปที่ if17 STOP

หน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว (ROM)
ตอนนี้คำถามก็คือ "คำสั่งทั้งหมดเหล่านี้รวมเข้ากับหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวได้อย่างไร" แน่นอนว่าฉันจะอธิบาย: แต่ละคำสั่งในภาษาแอสเซมบลีจะต้องแสดงในรูปแบบ เลขฐานสอง- เพื่อความง่าย สมมติว่าแต่ละคำสั่งภาษาแอสเซมบลีกำหนดตัวเอง หมายเลขที่ไม่ซ้ำ- ตัวอย่างเช่น มันจะมีลักษณะดังนี้:

• โหลด - 1
• โหลดDB - 2
• ธปท - 3
• บันทึก - 4
• บันทึกของ SAVEC - 5
• เพิ่ม - 6
• ย่อย - 7
• ม.ล - 8
• กรม - 9
• คอม - 10
• กระโดดเพิ่ม - 11
• เพิ่ม JEQ - 12
• ส่วนเสริม JNEQ - 13
• เจจี แอดดร - 14
• สารเติมแต่ง JGE - 15
• เจแอล แอดดร - 16
• สารเติมแต่ง JLE - 17
• หยุด - 18

หมายเลขเหล่านี้จะเรียกว่ารหัสธุรกรรม ในการจัดเก็บข้อมูลถาวร โปรแกรมเล็กๆ ของเราจะมีลักษณะดังนี้:

// สมมติว่า a อยู่ที่ที่อยู่ 128 // สมมติว่า F อยู่ที่ที่อยู่ 129Addr opcode/value0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 12 5 126 6 // เพิ่ม27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // กระโดด 430 831 18 // หยุด

คุณจะเห็นว่าโค้ด C 7 บรรทัดกลายเป็น 18 บรรทัดของแอสเซมบลี และทั้งหมดกลายเป็น 32 ไบต์ในหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว

การถอดรหัส
คำสั่งถอดรหัสจะต้องเปลี่ยน opcode แต่ละตัวให้เป็นชุดสัญญาณที่จะควบคุม ส่วนประกอบต่างๆภายในไมโครโปรเซสเซอร์ ลองใช้คำสั่ง ADD เป็นตัวอย่างและดูว่าจะต้องทำอย่างไร ดังนั้น:

• 1. ในรอบแรก จำเป็นต้องโหลดคำสั่งเอง ดังนั้นตัวถอดรหัสจำเป็นต้อง: เปิดใช้งานบัฟเฟอร์สำหรับตัวนับโปรแกรมในสามสถานะ เปิดใช้งานบรรทัดการอ่าน (RD) เปิดใช้งานข้อมูลในสามสถานะของบัฟเฟอร์ใน คำสั่งลงทะเบียน
• 2. ในรอบนาฬิกาที่สอง คำสั่ง ADD จะถูกถอดรหัส ไม่มีอะไรที่ต้องทำที่นี่: ตั้งค่าการดำเนินการของหน่วยคำนวณลอจิก (ALU) ให้กับการลงทะเบียน C
• 3. ในระหว่างรอบนาฬิกาที่สาม ตัวนับโปรแกรมจะเพิ่มขึ้น (ตามทฤษฎีแล้ว สิ่งนี้อาจทับซ้อนกันในรอบนาฬิกาที่สอง)

แต่ละคำสั่งสามารถแบ่งออกเป็นชุดของการดำเนินการตามลำดับ เช่น คำสั่งที่เราเพิ่งดู พวกเขาจัดการส่วนประกอบของไมโครโปรเซสเซอร์ตามลำดับที่ถูกต้อง คำสั่งบางอย่าง เช่น คำสั่ง ADD อาจใช้เวลาสองหรือสามรอบสัญญาณนาฬิกา คนอื่นอาจใช้เวลาห้าหรือหกรอบ

มาส่งท้ายกัน

จำนวนทรานซิสเตอร์มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์ ดังที่เห็นข้างต้นเป็นเรื่องธรรมดา ไมโครโปรเซสเซอร์ของอินเทล 8088 สามารถทำงานได้ 15 รอบ ยิ่งมีทรานซิสเตอร์มากเท่าใด ประสิทธิภาพก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ง่ายมาก ปริมาณมากทรานซิสเตอร์ยังอนุญาตให้มีเทคโนโลยีเช่นการประมวลผลไปป์ไลน์

สถาปัตยกรรมไปป์ไลน์ประกอบด้วยการดำเนินการตามคำสั่ง อาจต้องใช้เวลาห้ารอบในการดำเนินการหนึ่งคำสั่ง แต่ไม่สามารถมีห้าคำสั่งในขั้นตอนต่างๆ ของการดำเนินการในเวลาเดียวกันได้ ดูเหมือนว่าคำสั่งหนึ่งคำสั่งจะเสร็จสมบูรณ์ในแต่ละรอบสัญญาณนาฬิกา

แนวโน้มทั้งหมดนี้ทำให้จำนวนทรานซิสเตอร์เพิ่มขึ้น ส่งผลให้มีทรานซิสเตอร์รุ่นใหญ่มูลค่าหลายล้านดอลลาร์ที่มีอยู่ในปัจจุบัน โปรเซสเซอร์ดังกล่าวสามารถทำงานได้ประมาณหนึ่งพันล้านรายการต่อวินาที ลองจินตนาการดู อย่างไรก็ตามตอนนี้ผู้ผลิตหลายรายเริ่มสนใจที่จะปล่อย 64 บิต โปรเซสเซอร์มือถือและเห็นได้ชัดว่าคลื่นลูกใหม่กำลังมา คราวนี้ราชาแห่งแฟชั่นคือสถาปัตยกรรม 64 บิตเท่านั้น บางทีฉันอาจจะมาถึงหัวข้อนี้เร็ว ๆ นี้และบอกคุณว่ามันทำงานอย่างไร นั่นอาจเป็นทั้งหมดสำหรับวันนี้ ฉันหวังว่าคุณจะพบว่ามันน่าสนใจและเรียนรู้สิ่งใหม่มากมาย

หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) เป็นส่วนการทำงานของคอมพิวเตอร์ที่ดำเนินการพื้นฐานสำหรับการประมวลผลข้อมูลและควบคุมการทำงานของหน่วยอื่น โปรเซสเซอร์กลางประกอบด้วยสิ่งที่เชื่อมต่อถึงกันดังต่อไปนี้ องค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบ: อุปกรณ์ทางคณิตศาสตร์-ลอจิคัล อุปกรณ์ควบคุม และรีจิสเตอร์

ใน คอมพิวเตอร์สมัยใหม่โปรเซสเซอร์ได้รับการออกแบบให้เป็น โมดูลขนาดกะทัดรัด(ขนาดประมาณ 5x5x0.3 ซม.) เสียบเข้ากับช่องเสียบ ZIF (ขั้วต่อ) ที่สุด โปรเซสเซอร์ที่ทันสมัยนำมาใช้ในรูปแบบของชิปเซมิคอนดักเตอร์ตัวเดียวที่ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์นับล้านพันล้านตัว

ลักษณะสำคัญของโปรเซสเซอร์คือ: ความถี่สัญญาณนาฬิกา ความถี่สัญญาณนาฬิกา– จำนวนพัลส์นาฬิกาต่อวินาที ปัจจุบันความเร็วสัญญาณนาฬิกาวัดเป็นกิกะเฮิรตซ์เช่น เป็นพันล้าน (109) พัลส์ต่อวินาที ใช้ ความถี่สัญญาณนาฬิกาการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์จะทำได้ก็ต่อเมื่อโปรเซสเซอร์ทั้งสองได้รับการออกแบบให้เหมือนกัน ตัวอย่างเช่นหากคำสั่งบางคำสั่งในโปรเซสเซอร์ตัวใดตัวหนึ่งดำเนินการในสองรอบสัญญาณนาฬิกาและคำสั่งอื่นในสามรอบหากความถี่เท่ากันคำสั่งแรกจะทำงานเร็วขึ้นหนึ่งเท่าครึ่ง

คุณสมบัติอีกประการหนึ่งที่ช่วยให้คุณตัดสินประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์ได้ก็คือ ความลึกบิต.

ความลึกบิต- นี้ ปริมาณสูงสุดบิตไบนารีที่โปรเซสเซอร์สามารถประมวลผลได้ในคำสั่งเดียว

โดยส่วนใหญ่ ความลึกของบิตถูกกำหนดให้เป็นขนาดของตัวประมวลผลที่ลงทะเบียนเป็นบิต ความกว้างของบัสข้อมูลและแอดเดรสบัสที่โปรเซสเซอร์รองรับก็มีความสำคัญเช่นกัน ความกว้างบัสข้อมูลคือจำนวนบิตสูงสุดที่สามารถอ่านได้ในการเข้าถึงหน่วยความจำเดียว ความกว้างของบัสแอดเดรส– คือจำนวนบรรทัดที่อยู่ จะกำหนดจำนวนหน่วยความจำสูงสุดที่โปรเซสเซอร์สามารถรองรับได้

คุณสมบัติที่สำคัญโปรเซสเซอร์ได้แก่ – ประเภทคอร์, จำนวนคอร์ (คอมพิวเตอร์ 1,2,3,4 คอร์, ซีรีส์โปรเซสเซอร์ - หมายเลขรุ่นโปรเซสเซอร์แบบมีเงื่อนไข และเทคโนโลยีการผลิต ความถี่บัสระบบ

โปรเซสเซอร์ทำงานร่วมกับ RAM ข้อมูลจะถูกคัดลอกไปยังเซลล์ตัวประมวลผล (รีจิสเตอร์) จากนั้นแปลงตามคำแนะนำ (โปรแกรม)

โปรเซสเซอร์ส่วนใหญ่ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันเข้ากันได้กับ Intel นั่นคือมีชุดคำสั่งและอินเทอร์เฟซการเขียนโปรแกรมที่ใช้ในโปรเซสเซอร์ Intel

มีการผลิตโปรเซสเซอร์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบัน จากอินเทล,เอเอ็มดี และไอบีเอ็ม ในบรรดาโปรเซสเซอร์จาก Intel: 8086, i286, i486, Pentium , Pentium II, Pentium III เรียกว่า "สาม", Pentium 4 - "สี่") Pentium III, Pentium 4, Celeron (Pentium เวอร์ชันที่เรียบง่าย) Core 2 Quad, Core 2 DUE Core i7, Xeon (ซีรีส์โปรเซสเซอร์สำหรับ เซิร์ฟเวอร์), Itanium, Atom (ซีรีส์โปรเซสเซอร์สำหรับเทคโนโลยีฝังตัว) ฯลฯ AMD มีโปรเซสเซอร์สายสถาปัตยกรรม x86 (อะนาล็อก 80386 และ 80486 ตระกูล K6 และตระกูล K7 - Athlon, Duron, Sempron) และ x86-64 ( Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom , Opteron ฯลฯ) โปรเซสเซอร์ไอบีเอ็ม(POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) ใช้ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ กล่องรับสัญญาณวิดีโอเจเนอเรชันที่ 7 และเทคโนโลยีแบบฝังตัว ที่เคยใช้ในคอมพิวเตอร์ Apple

นักวิทยาศาสตร์ได้ระบุรูปแบบที่เรียกว่า "กฎของมัวร์": พลังของไมโครโปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกปี!ในอีก 10-20 ปีข้างหน้า ส่วนที่เป็นวัสดุของโปรเซสเซอร์มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงมากที่สุด เนื่องจากกระบวนการทางเทคโนโลยีถึงขีดจำกัดทางกายภาพของการผลิตแล้ว บางทีมันอาจจะเป็น:

1. คอมพิวเตอร์ออปติคัล- ซึ่งแทนที่จะเป็น สัญญาณไฟฟ้ากระแสแสง (โฟตอน ไม่ใช่อิเล็กตรอน) ได้รับการประมวลผล
2. คอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งงานของเขามีพื้นฐานอยู่บนเอฟเฟกต์ควอนตัมทั้งหมด ขณะนี้อยู่ระหว่างดำเนินการสร้างเวอร์ชันการทำงาน โปรเซสเซอร์ควอนตัม.
3. คอมพิวเตอร์โมเลกุล - ระบบคอมพิวเตอร์โดยใช้ความสามารถในการคำนวณของโมเลกุล (ส่วนใหญ่เป็นสารอินทรีย์) คอมพิวเตอร์โมเลกุลใช้แนวคิดในการคำนวณการจัดเรียงอะตอมในอวกาศ

ประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์และพีซีโดยรวมขึ้นอยู่กับประเภทอย่างมาก ชิปเซ็ต - ชิปเซ็ต (อังกฤษ) ชิปเซ็ต) - ชุดชิปที่ออกแบบมาสำหรับ การทำงานร่วมกันเพื่อทำหน้าที่ชุดหนึ่ง ชิปเซ็ตที่อยู่บนเมนบอร์ดทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบเชื่อมต่อเพื่อให้แน่ใจว่าระบบย่อยหน่วยความจำ โปรเซสเซอร์กลาง และอุปกรณ์พีซีอื่นๆ ทำงานร่วมกันได้

มีหน่วยความจำอิเล็กทรอนิกส์ภายในพีซีอยู่ ประเภทต่อไปนี้:

1. หน่วยความจำที่เก็บข้อมูล ระบบพื้นฐานฉัน/โอ (ภาษาอังกฤษ) ไบออส ) ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีแบบอ่านอย่างเดียว (อังกฤษ - หน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว - รอม ) หรือในพีซีสมัยใหม่ - ตามเทคโนโลยี แฟลช -หน่วยความจำ และประกอบด้วย:

· โปรแกรมทดสอบตัวเองของพีซีหลังจากเปิดเครื่อง – โพสต์ (จากภาษาอังกฤษ การทดสอบตัวเองเมื่อเปิดเครื่อง);

โปรแกรมจัดการหน่วยความจำ ซีมอส (ภาษาอังกฤษ) ซีมอส ) – การตั้งค่า

· โปรแกรมค้นหา bootloader บูต ) ระบบปฏิบัติการ ฯลฯ

1. การดำเนินงาน หน่วยความจำหรือ อุปกรณ์เก็บข้อมูลการเข้าถึงแบบสุ่ม(ภาษาอังกฤษ) หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม - แรม ) ออกแบบมาเพื่อจัดเก็บข้อมูลและโปรแกรมทั้งหมดที่ดำเนินการ ช่วงเวลาปัจจุบัน- ทำหน้าที่เป็นหน่วยความจำไดนามิกเซมิคอนดักเตอร์ (อังกฤษ. หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบไดนามิก - แดรม ) โดยแต่ละเซลล์เป็นตัวเก็บประจุโดยอิงจากจุดเชื่อมต่อของทรานซิสเตอร์ CMOS
2. ซีมอส - หน่วยความจำ (ภาษาอังกฤษ) ซีมอส - โดดเด่น คุณสมบัติวงจร CMOS คือ การใช้พลังงานต่ำในโหมดคงที่ หน่วยความจำมีความผันผวน ในพีซี หน่วยความจำจะรับพลังงานจาก แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้บนเมนบอร์ด หน่วยความจำ CMOS ถูกควบคุมโดยผู้ใช้ในการสนทนากับโปรแกรมจาก ไบออส – การตั้งค่า เพื่อรันโปรแกรม การตั้งค่า ในกรณีส่วนใหญ่ คุณควรกดปุ่ม (อาจหลายครั้ง) ทันทีหลังจากเปิดพีซี ลบ- ที่เก็บหน่วยความจำ CMOS:

· พารามิเตอร์บางตัว อุปกรณ์ฐานพีซี (ประเภทฮาร์ดไดรฟ์, ฟลอปปีไดรฟ์ ฯลฯ );

· รหัสผ่าน "เปิดเครื่อง" สำหรับผู้ใช้พีซี (in บางกรณีและผู้ดูแลระบบ) ร้องขอก่อนที่ระบบปฏิบัติการจะบู๊ต

· เวลาปัจจุบัน(แม้ในขณะที่พีซีปิดอยู่)

ลำดับการค้นหา ดิสก์ระบบ(พร้อมระบบปฏิบัติการ) สิ่งที่ต้องพิจารณาเมื่อใช้งาน ไดรฟ์สด.

หน่วยความจำภายในมีชนิดใดก็ได้ ที่อยู่ของเซลล์องค์กรเมื่อเทียบกับ หน่วยความจำภายนอกขึ้นอยู่กับ ไฟล์องค์กรต่างๆ

1. แคช-หน่วยความจำ– นี่คือหน่วยความจำที่เพิ่มความเร็วการทำงานของหน่วยความจำประเภทอื่น (ช้ากว่า) โดยการจัดเก็บข้อมูลการอ่านในกรณีที่มีการเข้าถึงอีกครั้ง หน่วยความจำแคชคือ หน่วยความจำแบบคงที่ซึ่งทำงานได้เร็วกว่ามาก แรมแบบไดนามิก- มันไม่มี ที่อยู่ของตัวเองมันไม่ทำงานตามหลักการกำหนดเป้าหมายของ von Neumann
2. หน่วยความจำเสมือน

คอมพิวเตอร์มีจำนวนหน่วยความจำสูงสุดที่อนุญาตแต่ตามความเป็นจริง RAM ที่ติดตั้ง- บางส่วนเท่านั้น ส่วนหนึ่งพื้นที่นี้ ส่วนที่เหลือจะวางอยู่ในแบบพิเศษ ไฟล์ระบบหรือแยกกัน ส่วนที่ยากดิสก์. หากความจุ RAM ไม่เพียงพอสำหรับงานถัดไป ระบบจะคัดลอกส่วนที่ “จำเป็นน้อยที่สุด” (ไม่ได้ใช้นานที่สุด) ของ RAM ไปยังดิสก์ เพื่อเพิ่มพื้นที่หน่วยความจำตามจำนวนที่ต้องการ ในทางกลับกันเมื่อจำเป็นต้องใช้ข้อมูลจากดิสก์ข้อมูลนั้นจะถูกส่งกลับไปยังพื้นที่ RAM ที่ว่างในลักษณะเดียวกัน

โปรเซสเซอร์เป็นส่วนประกอบหลักของคอมพิวเตอร์ทุกเครื่องอย่างไม่ต้องสงสัย มันเป็นซิลิคอนชิ้นเล็กๆ ขนาดหลายสิบมิลลิเมตร ที่ทำงานที่ซับซ้อนทั้งหมดที่คุณตั้งไว้สำหรับคอมพิวเตอร์ของคุณ วิ่งมาที่นี่ ระบบปฏิบัติการตลอดจนทุกโปรแกรม แต่มันทำงานอย่างไร? เราจะพยายามตรวจสอบคำถามนี้ในบทความของเราวันนี้

โปรเซสเซอร์จะจัดการข้อมูลบนคอมพิวเตอร์ของคุณและดำเนินการคำสั่งหลายล้านคำสั่งต่อวินาที และโดยโปรแกรมประมวลผลคำ ฉันหมายถึงความหมายที่แท้จริง นั่นคือชิปขนาดเล็กที่ทำจากซิลิคอนที่ดำเนินการทั้งหมดบนคอมพิวเตอร์จริงๆ ก่อนที่เราจะพูดถึงวิธีการทำงานของโปรเซสเซอร์ เราต้องพิจารณารายละเอียดก่อนว่ามันคืออะไรและประกอบด้วยอะไรบ้าง

โปรเซสเซอร์หรือ CPU คืออะไร?

ก่อนอื่นเรามาดูกันว่าโปรเซสเซอร์คืออะไร CPU หรือหน่วยประมวลผลกลาง (หน่วยประมวลผลกลาง) - ซึ่งเป็นวงจรไมโครที่มีทรานซิสเตอร์จำนวนมากทำจากคริสตัลซิลิคอน โปรเซสเซอร์ตัวแรกของโลกได้รับการพัฒนาโดย Intel ในปี 1971 ทุกอย่างเริ่มต้นด้วย รุ่นของอินเทล 4004 สามารถดำเนินการคำนวณได้เท่านั้นและสามารถประมวลผลข้อมูลได้เพียง 4 ไบต์เท่านั้น รุ่นต่อไปเปิดตัวในปี 1974 - Intel 8080 และสามารถประมวลผลข้อมูลได้ 8 บิตแล้ว ถัดไปคือ 80286, 80386, 80486 มาจากโปรเซสเซอร์เหล่านี้ที่ชื่อของสถาปัตยกรรมมา

ความเร็วสัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์ 8088 คือ 5 MHz และจำนวนการดำเนินการต่อวินาทีเพียง 330,000 ซึ่งน้อยกว่าโปรเซสเซอร์สมัยใหม่มาก อุปกรณ์ที่ทันสมัยมีความถี่สูงถึง 10 GHz และการทำงานหลายล้านครั้งต่อวินาที

เราจะไม่พิจารณาทรานซิสเตอร์ เราจะก้าวไปสู่ระดับที่สูงขึ้น โปรเซสเซอร์แต่ละตัวประกอบด้วยส่วนประกอบดังต่อไปนี้:

• แกนกลาง— การประมวลผลข้อมูลและการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ทั้งหมดดำเนินการที่นี่ อาจมีหลายคอร์
• ตัวถอดรหัสคำสั่ง- ส่วนประกอบนี้เป็นของแกนกลางซึ่งจะแปลง คำสั่งโปรแกรมในชุดสัญญาณที่คอร์ทรานซิสเตอร์จะดำเนินการ
• แคช- พื้นที่หน่วยความจำที่รวดเร็วเป็นพิเศษซึ่งเป็นไดรฟ์ข้อมูลที่อ่านจาก RAM จะถูกเก็บไว้
• ลงทะเบียน- เหล่านี้เป็นเซลล์หน่วยความจำที่เร็วมากซึ่งจัดเก็บข้อมูลที่ประมวลผลอยู่ในปัจจุบัน มีเพียงไม่กี่อันและมีขนาด จำกัด - 8, 16 หรือ 32 บิต ความจุบิตของโปรเซสเซอร์ขึ้นอยู่กับสิ่งนี้
• โปรเซสเซอร์ร่วม- คอร์แยกต่างหากที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการดำเนินการบางอย่างเท่านั้น เช่น การประมวลผลวิดีโอหรือการเข้ารหัสข้อมูล
• รถบัสที่อยู่— สำหรับการสื่อสารกับอุปกรณ์ทั้งหมดที่เชื่อมต่อกับเมนบอร์ดสามารถมีความกว้างได้ 8, 16 หรือ 32 บิต
• บัสข้อมูล- สำหรับการสื่อสารกับ RAM โปรเซสเซอร์สามารถเขียนข้อมูลลงในหน่วยความจำหรืออ่านจากที่นั่นได้ บัสหน่วยความจำอาจเป็น 8, 16 หรือ 32 บิต ซึ่งเป็นจำนวนข้อมูลที่สามารถถ่ายโอนได้ในคราวเดียว
• บัสซิงโครไนซ์— ช่วยให้คุณควบคุมความถี่ของโปรเซสเซอร์และรอบการทำงาน
• รีสตาร์ทรถบัส— เพื่อรีเซ็ตสถานะโปรเซสเซอร์

ส่วนประกอบหลักถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์ประมวลผลหลักหรือเลขคณิต เช่นเดียวกับการลงทะเบียนโปรเซสเซอร์ ทุกสิ่งทุกอย่างช่วยให้ทั้งสององค์ประกอบทำงานได้ มาดูกันว่าการลงทะเบียนคืออะไรและจุดประสงค์ของมันคืออะไร

• ทะเบียน A, B, C— ออกแบบมาเพื่อจัดเก็บข้อมูลระหว่างการประมวลผล ใช่ มีเพียงสามข้อมูลเท่านั้น แต่ก็เพียงพอแล้ว
• อีไอพี- มีที่อยู่ของคำสั่งโปรแกรมถัดไปใน RAM
• อีพีเอส— ที่อยู่ของข้อมูลใน RAM
• ซี— มีผลการดำเนินการเปรียบเทียบครั้งล่าสุด

แน่นอนว่าสิ่งเหล่านี้ไม่ใช่การลงทะเบียนหน่วยความจำทั้งหมด แต่สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดและโปรเซสเซอร์จะใช้มากที่สุดระหว่างการทำงานของโปรแกรม ตอนนี้คุณรู้แล้วว่าโปรเซสเซอร์ประกอบด้วยอะไรบ้าง คุณสามารถดูวิธีการทำงานของมันได้

โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร

แกนประมวลผลของ CPU ทำได้เพียงคำนวณ การเปรียบเทียบ และย้ายข้อมูลระหว่างเซลล์และ RAM เท่านั้น แต่ก็เพียงพอแล้วที่ให้คุณเล่นเกม ดูภาพยนตร์ ท่องเว็บ และอื่นๆ อีกมากมาย

ในความเป็นจริง โปรแกรมใดๆ จะประกอบด้วยคำสั่งต่อไปนี้: ย้าย บวก คูณ หาร ผลต่าง และไปที่คำสั่งหากตรงตามเงื่อนไขการเปรียบเทียบ แน่นอนว่านี่ไม่ใช่คำสั่งทั้งหมด แต่มีคำสั่งอื่น ๆ ที่รวมคำสั่งที่ระบุไว้แล้วหรือทำให้การใช้งานง่ายขึ้น

การย้ายข้อมูลทั้งหมดดำเนินการโดยใช้คำสั่งย้าย (mov) คำสั่งนี้จะย้ายข้อมูลระหว่างเซลล์รีจิสเตอร์ ระหว่างรีจิสเตอร์และ RAM ระหว่างหน่วยความจำและ ฮาร์ดไดรฟ์- สำหรับ การดำเนินการทางคณิตศาสตร์มี คำแนะนำพิเศษ- และจำเป็นต้องมีคำสั่งการกระโดดเพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไข เช่น ตรวจสอบค่าของรีจิสเตอร์ A และหากไม่เป็นศูนย์ให้ไปที่คำสั่งใน ไปยังที่อยู่ที่ถูกต้อง- คุณยังสามารถสร้างลูปโดยใช้คำสั่งการข้ามได้

ทั้งหมดนี้เป็นอย่างดี แต่ส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร และทรานซิสเตอร์เข้าใจคำสั่งได้อย่างไร? การทำงานของโปรเซสเซอร์ทั้งหมดถูกควบคุมโดยตัวถอดรหัสคำสั่ง มันทำให้แต่ละองค์ประกอบทำในสิ่งที่ควรทำ มาดูกันว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราจำเป็นต้องรันโปรแกรม

ในขั้นตอนแรก ตัวถอดรหัสจะโหลดที่อยู่ของคำสั่งแรกของโปรแกรมในหน่วยความจำลงในรีจิสเตอร์ของ EIP คำสั่งถัดไป เพื่อเปิดใช้งานช่องการอ่านและเปิดทรานซิสเตอร์สลักเพื่อใส่ข้อมูลลงในรีจิสเตอร์ EIP

ในรอบสัญญาณนาฬิกาที่สอง ตัวถอดรหัสคำสั่งจะแปลงคำสั่งเป็นชุดสัญญาณสำหรับทรานซิสเตอร์ของคอร์ประมวลผล ซึ่งดำเนินการและเขียนผลลัพธ์ลงในรีจิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่ง เช่น C

ในรอบที่สาม ตัวถอดรหัสจะเพิ่มที่อยู่ของคำสั่งถัดไปทีละรายการเพื่อให้ชี้ไป คำแนะนำต่อไปนี้ในความทรงจำ จากนั้นตัวถอดรหัสจะดำเนินการโหลดคำสั่งถัดไปไปเรื่อยๆ จนกระทั่งสิ้นสุดโปรแกรม

แต่ละคำสั่งได้รับการเข้ารหัสโดยลำดับของทรานซิสเตอร์ และแปลงเป็นสัญญาณ ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพในโปรเซสเซอร์ เช่น การเปลี่ยนตำแหน่งของสลักที่ช่วยให้สามารถเขียนข้อมูลลงในเซลล์หน่วยความจำ และอื่นๆ สำหรับการดำเนินการ ทีมที่แตกต่างกันจำเป็นต้อง ปริมาณที่แตกต่างกันตัวอย่างเช่นรอบสัญญาณนาฬิกาหนึ่งคำสั่งอาจต้องใช้ 5 รอบสัญญาณนาฬิกาและอีกคำสั่งที่ซับซ้อนกว่าถึง 20 รอบ แต่ทั้งหมดนี้ยังคงขึ้นอยู่กับจำนวนทรานซิสเตอร์ในโปรเซสเซอร์เอง

ทั้งหมดนี้ชัดเจน แต่ทั้งหมดนี้จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อมีโปรแกรมหนึ่งทำงานอยู่และหากมีหลายโปรแกรมและทั้งหมดในเวลาเดียวกัน เราสามารถสรุปได้ว่าโปรเซสเซอร์มีหลายคอร์ จากนั้นแต่ละคอร์จะดำเนินการ โปรแกรมแยกกัน- แต่ไม่ จริงๆ แล้วไม่มีข้อจำกัดดังกล่าว

ในหนึ่งเดียว ช่วงเวลาหนึ่งสามารถดำเนินการได้เพียงโปรแกรมเดียวเท่านั้น เวลา CPU ทั้งหมดจะถูกแชร์ระหว่างทุกคน โปรแกรมที่กำลังรันอยู่แต่ละโปรแกรมดำเนินการหลายรอบสัญญาณนาฬิกา จากนั้นโปรเซสเซอร์จะถูกถ่ายโอนไปยังโปรแกรมอื่น และเนื้อหาทั้งหมดของรีจิสเตอร์จะถูกเก็บไว้ใน RAM เมื่อการควบคุมกลับมาที่โปรแกรมนี้ ค่าที่บันทึกไว้ก่อนหน้านี้จะถูกโหลดลงในรีจิสเตอร์

ข้อสรุป

นั่นคือทั้งหมด ในบทความนี้ เรามาดูกันว่าโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร โปรเซสเซอร์คืออะไร และประกอบด้วยอะไรบ้าง อาจจะซับซ้อนเล็กน้อย แต่เราทำให้มันเรียบง่าย ฉันหวังว่าตอนนี้คุณจะเข้าใจมากขึ้นว่าอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมากนี้ทำงานอย่างไร

เพื่อสรุปวิดีโอเกี่ยวกับประวัติโปรเซสเซอร์: