Процессор (1)

1. Процессор

Ткачев Макар 122-Д9-КСК

2. История создания

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных
компонентов и схем.
Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических
реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в
стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляло процессор. Отличительными особенностями
были низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.
Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к
современным по виду платы, устанавливавшиеся в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло
быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.
Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы
низкой степени интеграции, содержавшие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали
использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала — элементарные ключи и логические
элементы, затем — более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы,
содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства
работы с шинами данных и команд.
Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии, БИС и СБИС (больших и сверхбольших
интегральных схем, соответственно), микропроцессора— микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные
элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для
использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров.
Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач
(например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач) либо процессоры, к которым предъявлялись особые
требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с
удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.
Сейчас слова «микропроцессор» и «процессор» практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и
микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10—15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры
вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня
представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

3. История создания

Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.
Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300
транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил 300 долларов.
Далее его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за
распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешёвый 8088, упрощенная версия 8086 с 8-разрядной шиной данных.
Затем последовала его модификация, 80186.
В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.
Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной
памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.
Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.
За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде)
используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже — в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T).
Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно
используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры,
как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).
В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактных модулей (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на
подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём (socket),
находящийся на материнской плате.
Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени —
миллиарды транзисторов. Также, с ростом размеров и сложности полупроводниковых кристаллов, в 20-х годах XXI века начало набирать популярность разбиение
единого большого кристалла на несколько более мелких («чиплетов», chiplet), устанавливаемых в единую микросборку, это позволяет увеличить выход годных
микросхем и снизить тепловыделение.

4. Алгоритм работы процессора

Работу процессора можно представить как бесконечный цикл из четырех ключевых шагов. Этот цикл называется "Цикл выполнения команды"
(Instruction Cycle).
1.Выборка (Fetch)
•Процессор обращается к оперативной памяти (ОЗУ) и "вытаскивает" (fetch) оттуда следующую инструкцию, которую нужно выполнить.
•За то, какую инструкцию выбрать, отвечает специальный указатель — Счетчик команд (Program Counter, PC). В нем хранится адрес
следующей инструкции в памяти. После выборки счетчик автоматически обновляется, чтобы указывать на следующую инструкцию.
2.Декодирование (Decode)
•Выбранная инструкция — это просто набор битов (нулей и единиц), напр. Сам по себе он бессмысленен.
•Процессор пропускает эту бинарную последовательность через декодер — специальную схему, которая "понимает", что эта комбинация битов
означает, например, "сложи два числа".
•Декодер определяет, какие именно действия нужно выполнить и какие части процессора для этого задействовать.
3.Исполнение (Execute)
•Это самый интересный этап. Здесь процессор выполняет декодированную инструкцию.
•За выполнение математических операций (сложение, вычитание, умножение) и логических операций (И, ИЛИ, НЕ) отвечает специальный блок
— АЛУ (Арифметико-Логическое Устройство).
•Например, если инструкция была "сложи два числа", АЛУ берет эти числа, выполняет сложение и выдает результат.
4.Запись (Writeback)
•После того как результат получен, его нужно куда-то сохранить. Процессор записывает этот результат обратно в один из своих
внутренних регистров (сверхбыстрая память внутри процессора) или, реже, прямо в оперативную память.

5. Оболочка процессора

• На аппаратном уровне ЦП представляет собой интегральную схему (чип). Миллионы и миллиарды крошечных
электрических деталей-транзисторов объединяют в функциональные блоки и напаивают послойно на кремниевую
пластину. Транзистор — фундаментальный строительный блок процессора. Действует как переключатель, контролируя
потоки электрического тока внутри процессора, позволяя ему выполнять элементарные вычисления.
• Компоненты стандартного серверного CPU:
• регистровая память;
• АЛУ;
• блок управления;
• кэш-память;
• тактовый генератор (он же генератор тактовых импульсов);
• адресная шина;
• шина данных;
• радиатор и термоинтерфейс (отводят и рассеивают тепло).
• В комплект также входят контактные площадки, соединяющие процессор с элементами материнской платы.

6. Ядра

• Подробное объяснение
• Если говорить технически, ядро — это отдельный, физический блок
внутри процессора, который:
• Выполняет инструкции программ (тот самый цикл "выборкадекодирование-исполнение-запись").
• Имеет свои собственные вычислительные блоки (такие как АЛУ —
арифметико-логическое устройство).
• Имеет свои собственные сверхбыстрые ячейки памяти (регистры) и
часто свой собственный кэш 1-го уровня (L1).
• Ключевая идея: Каждое ядро способно работать со своим отдельным
потоком инструкций.

7. За что конкретно отвечают ядра?

1. Многозадачность (Multitasking)
Это самое очевидное преимущество. Каждое ядро может работать со своим приложением.
Пример: На двухъядерном процессоре одно ядро может обрабатывать вашу музыку в фоне, а второе — работать с браузером, в котором у вас открыто несколько
вкладок. Чем больше ядер, тем больше приложений могут работать одновременно без замедлений и "подвисаний".
2. Производительность в многопоточных приложениях
Некоторые сложные задачи можно разбить на несколько более мелких частей и распределить между ядрами. Такие задачи называются многопоточными.
Примеры:
Рендеринг видео: Программа делит кадры видео на блоки и отдает разные блоки разным ядрам для обработки. 8 ядер справятся с этим в разы быстрее, чем 2.
Научные расчеты и моделирование.
Архивация больших файлов.
Современные игры: Самые продвинутые игры активно используют multiple ядер для одновременной работы физики, искусственного интеллекта, загрузки мира и т.д.
3. Современные "тяжелые" программы
Многие профессиональные программы изначально разрабатываются для использования нескольких ядер:
Фотошоп (Adobe Photoshop): Фильтры, обработка изображений.
Видеоредакторы (Premiere Pro, DaVinci Resolve): Монтаж, наложение эффектов, кодирование.
3D-редакторы (Blender, 3ds Max): Рендеринг сцен.
Продвинутые среды разработки (IDE).
Чем больше в такой программе операций можно распараллелить, тем больше она выигрывает от многоядерности.

8. Источники информации

• Wikipedia.org
• www.ittelo.ru
• deepseek.com
• habr.com