Процесор

Центральний процесор, мікропроцесор, або, скорочено, процесор (CPU, Central Processing Unit) – основна мікросхема ЕОМ, яка призначена для обробки інформації шляхом виконання математичних операцій над даними. Крім обробки даних, процесор виконує ряд додаткових функцій, головною з яких є загальне керування роботою ЕОМ та забезпечення узгодженого функціонування її пристроїв.

Фізично процесор являє собою кристал напівпровідникового матеріалу (майже досьогодні "монополістом" у цій галузі був кремній) з вирощеними (не впаяними!) у його структурі мікроскопічними транзисторами кількістю, що сягає десятків та сотень мільйонів! Для запобігання фізичній руйнації кристал, або, як кажуть, ядро (core) процесора поміщають у корпус площею в 4 – 6 см² та товщиною декілька міліметрів. На корпусі присутні контакти або контактні ніжки для приєднання процесору до системної плати через рознім, аналогічно приєднанню карт розширення.

По суті процесор представляє собою масив електронних комірок, двійкові дані в яких можуть не тільки зберігатись, а й змінюватись. Такі комірки називаються регістрами.

Як було сказано вище, процесор зв'язаний системною шиною лише з ОЗП. Саме з нього він може отримувати дані, необхідні для роботи. Якщо процесор повинен отримати дані, від деякого пристрою ЕОМ, вони спочатку повинні бути скопійовані у ОЗП, і лише після цього вони будуть доступні для процесора.

Робота процесора полягає у виконанні ним комп'ютерних програм, що являють собою набір команд (інструкцій). Команда в загальному випадку містить у двійковому представленні код операції, яку необхідно виконати, та операнди, над якими має бути виконана ця команда; операнди при цьому можуть бути представлені явно (тобто представляти собою конкретні числа), або неявно у вигляді адрес комірок пам'яті, з яких вони повинні бути зчитані. Відповідно у складі системної шини виділяють адресну шину, командну шину та шину даних.

Відмітимо, що всі операції, які здатен виконати процесор над вмістом своїх регістрів, зводяться до виконання комбінацій двох елементарних операцій: математичної – додавання та логічної – порівняння двох чисел.

Основною характеристикою швидкодії процесора є т.зв. тактова частота ядра процесора, що дорівнює частоті системної шини, помноженої на коефіцієнт множення процесора. Швидкодію процесорів виражають у мегагерцах (MHz або МГц); у сучасних процесорів ця величина складає від 1500 до 3000 МГц. Процесори, як правило, підтримують декілька коефіцієнтів множення частоти системної шини, в такому випадку конкретний коефіцієнт може обиратись користувачем за допомогою утиліти CMOS Setup.

Один із способів збільшення швидкодії системи "процесор – ОЗП" полягає у використанні принципу кешування ОЗП. Для цього безпосередньо у корпусі процесора створюються комірки пам'яті, що аналогічні коміркам ОЗП, але працюють на частоті ядра. Після виконання процесором поточної інструкції результат, по-перше, записується у цю кеш-пам'ять (cache memory), він же, по-друге, відправляється по системній шині для збереження у ОЗП. Якщо у наступних інструкціях в якості операндів використовуються результати виконання попередніх інструкцій, то ці значення операндів процесор отримуватиме з кеш-пам'яті, а не від ОЗП через відносно повільну системну шину.

При своїх перевагах кеш-пам'ять володіє і значним недоліком: технологія її виготовлення є складною, а відтак вартість виявляється високою. Крім вартісного аспекту, можливість інтегрування великих обсягів швидкісної пам'яті у корпусі процесора перекреслюється малогабаритністю останніх. Виходячи з цих обмежень, об'єм кеш-пам'яті сучасних процесорів лежить у межах від 256 Kb до 2 Mb. Враховуючи той факт, що процесор під час виконання програм обробляє значно більші обсяги інформації, можна прийти до висновку, що вміст кеш-пам'яті зазнає постійної ротації – по мірі заповнення кеш-пам'яті "свіжі" дані "витісняють", затирають "застарілі", і тим швидше, чим менший об'єм кеш-пам'яті.

Для досягнення компромісу між об'ємом кеш-пам'яті та собівартістю виготовлення процесора вдаються до кількарівневого кешування ОЗП. Для цього у процесор інтегрують відносно невеликі обсяги швидкісної, але дорогої кеш-пам'яті (кеш-пам'ять першого рівня). Крім того, там же створюється у рази більший об'єм повільнішої, але натомість набагато дешевшої у виготовленні кеш-пам'яті (кеш-пам'ять другого рівня). В такому випадку дані, перед збереженням у ОЗП зберігаються (кешуються) у кеш-пам'яті і першого, і другого рівнів. При зчитуванні необхідних даних процесор спочатку розшукує їх у кеш-пам'яті першого рівня, у разі їх відсутності – у кеш-пам'яті другого рівня, а аж потім – у ОЗП.

Енергоспоживання сучасних процесорів під час пікового навантаження є досить вражаючим – діапазон споживаних ними потужностей починається в районі 60Вт і протягається за відмітку у 100Вт! Значна частина цієї потужності перетворюється у тепло і призводить до розігріву процесорів. Значення теплової енергії, що виділяється у одиниці площі поверхні процесора виявляться більше ніж достатньою для його теплової руйнації, тому на практиці вдаються до заходів по охолодженню процесорів. Традиційно для цих цілей використовують масивні радіатори з металів, що володіють високою теплопровідністю (алюміній, мідь). Основу радіатора притискають до поверхні корпусу, на яку попередньо наносять спеціальну пасту для забезпечення надійного теплопровідного контакту. В такий спосіб радіатор забезпечує ефективне та оперативне відведення надлишків тепла від корпусу процесора, а вже охолодження радіатору відбувається шляхом його обдування повітрям за допомогою вентилятора – кулера (cooler).

Від конкретної моделі процесора залежать такі його характеристики, як підтримувані частоти системної шини, коефіцієнти множення, об'єм кеш-пам'яті, кількість транзисторів тощо.