Первый вопрос , который встает перед всяким человеком, впервые смотрящим на пугающую россыпь компьютерных запчастей , - « Разве может человек просто взять и собрать компьютер !?». Самое прекрасное , что ответ на этот вопрос - твердое « да !». Тысячи ученых , инженеров и дизайнеров за годы , прошедшие от вычислительных машин размером со средний спортзал до компьютеров , умещающихся в спичечный коробок, стремились, как можно больше упростить и облегчить процессы производства и сборки компьютера. Сейчас это вполне под силу практически любому человеку, в том числе, разумеется, и вам, уважаемые читатели !
В чём заключается основное назначение компьютера? Ответ прост: обрабатывать данные по алгоритмам, представленным в виде программ. Конструкция компьютера такова, что позволяет делать это очень, очень быстро. Вообще говоря, компьютерную программу может выполнять и человеческий мозг ( программисты спокойно читают листинги программ на высокоуровневых языках программирования, а самые опытные - и на ассемблере, и даже в виде двоичного исполняемого кода !), но медленно, потому что он не приспособлен для этого. Компьютер же способен выдавать результаты за миллисекунды ( с другой стороны, есть множество задач, с которыми уже мозг справляется за миллисекунды, а компьютер — неприлично долго ). Так или иначе, без участия компьютера в современном мире не обходится практически ни один род человеческой деятельности — настолько прочно они вошли в нашу жизнь всего лишь за последние полвека.
Процессор – сердце компьютера
Центральный процессор ( ЦП, ЦПУ от англ. CPU - Central Processing Unit, « Центральное Процессорное ( Обрабатывающее ) Устройство », в просторечье – « проц », « камень », « кристалл », « чип »). Это сердце компьютера. И одновременно - его мозг. Сотни миллионов транзисторов размером в несколько тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, сформированные на подложке площадью несколько мм2, позволяют персональному компьютеру проводить миллиарды вычислительных операций в секунду.
Параметры, определяющие эффективность процессора:
1. Тактовая частота. Измеряется в герцах (сейчас счет идет на мегагерцы МГц и гигагерцы ГГц - миллионы и миллиарды герц). Один такт работы процессора - это, упрощенно говоря, то время, за которое он способен выполнить одну элементарную операцию (например, записать число в память). Некоторые операции (инструкции), например умножение двух чисел, требуют для исполнения несколько тактов процессора. Большинство современных процессоров способны исполнять несколько инструкций за такт. Такт в процессоре частотой 2 ГГц проходит за 0,0000000005 секунды ( или 0,5 наносекунд , нс ).
2. Количество ядер. До недавнего времени большинство процессоров для использования в ПК содержали всего одно вычислительное ядро. В то же время, во многих мощных ЭВМ с давних пор использовались приемы, позволяющие распределять ресурсоемкие задачи между несколькими вычислительными узлами, т.н. «распараллеливание». Кроме того, в популярных операционных системах для ПК с начала 90- х годов ХХ века присутствовала поддержка многозадачности. С ростом мощности ЦП персональных компьютеров расширялся круг задач, которые мог решать пользователь на своем ПК. Одного ядра многим стало не хватать - появились модели материнских плат, на которые можно было устанавливать 2 (редко больше) компьютерных процессора. Но это было дорого, и такая система потребляла сравнительно много энергии. Прошло еще некоторое время, и прогресс в миниатюризации элементной базы ЦП привел к тому, что стало возможно в одном процессорном корпусе размещать сразу два (а потом и больше) вычислительных ядра и применять распараллеливание. Так появились многоядерные процессоры для настольных, а потом и мобильных ПК. Сейчас высокопроизводительные процессоры для домашних систем позволяют, скажем, на одном из ядер вести сложные научные расчеты, еще два задействовать под кодирование видео, а на еще одном - без проблем играть в одну из современных компьютерных игр.
3. Объем кэш - памяти. Кэш - память позволяет процессору хранить внутри себя небольшие порции данных, которые требуется обработать в ближайшее время, а так же промежуточные результаты вычислений. Все это нужно для того , чтобы уменьшить число обращений к системной оперативной памяти и, таким образом, ускорить работу. Кэш работает очень быстро. В ЦП несколько уровней кэш - памяти (обозначаются L1, L2, L3 от англ . level - уровень). Обычно, L1- кэш имеет объем несколько десятков килобайт и является наиболее быстрым. Кэш L2 является промежуточным между L1 и L3, а более медленный L3, чей объем в современных ЦП измеряется мегабайтами, служит для хранения довольно больших объемов информации. Зачастую, L3 является общим для всех или нескольких ядер многоядерного ЦПУ.
4. Потребляемая мощность / рассеиваемое тепло. В теории информации есть так называемое выражение Шеннона — фон Неймана — Ландауэра, которое гласит, что для обработки одного бита информации требуется неизбежно затратить хотя бы минимальное количество энергии, которое составляет 2,7х10 -21 джоулей в пересчете на один электрон. Но в проводнике даже не миллиарды, не квинтиллионы, а просто невообразимое количество электронов! Понятно, что при работе ЦП (и многих других микросхем) тепла выделяется изрядное количество. Для расчета потребляемой мощности и выбора системы охлаждения производитель процессора указывает максимальную рассеиваемую процессором тепловую мощность, TDP (англ . Thermal Design Packet), в ваттах (Вт). Обычно чем производительнее ЦП, тем больше он выделяет тепла (обратное неверно, так как инженеры и ученые постоянно работают над тем, чтобы снизить энергопотребление и нагрев процессоров, одновременно повышая его вычислительную мощность). Всё это следует учитывать при подборе комплектующих и установке адекватной системы охлаждения для отвода излишков тепла от ЦП, иначе ПК может работать нестабильно, а то и вовсе выйти из строя. Сейчас процессоры часто поступают в продажу в так называемой «боксовой», или «коробочной» (англ . Box), комплектации, вместе с системой охлаждения – кулером. Но такие кулеры иногда малопроизводительны и могут не справляться со своей задачей при высоких вычислительных нагрузках, поэтому стоит подбирать охлаждение самостоятельно.
5. Разрядность процессора. Под разрядностью процессора в обиходе подразумевается длина (количество бит) т. н. «машинного слова». На современных компьютерах минимальным адресуемым блоком информации обычно является байт (8 бит), а слово состоит из нескольких байтов. На ранних компьютерах размер слова совпадал также с минимальным размером адресуемой информации (разрядностью данных, расположенных по одному адресу). Косвенно разрядность накладывает ограничение на максимальный объем памяти, который процессор может адресовать. Иными словами, так как процессор должен знать, откуда ему брать данные для работы, в памяти они помечены числами – адресами. Поэтому максимальный адрес ограничен количеством бит, которое процессор способен «переварить» за один раз. Процессоры первых ПК могли непосредственно адресовать максимум 216=65536 байт памяти (на самом деле, память разделялась на сегменты размером 64 Кб, из которых пользователю было доступно 10, т. е. максимум 640 Кб, остальные 6 сегментов выделялись под код BIOS и видеопамять). Для управления памятью свыше 640 Кб существовали специальные программы – менеджеры памяти, которые обеспечивали так называемую «виртуальную адресацию». Позже разрядность адресной шины увеличили до 20 бит (соотв. 1 Мб ОЗУ), потом до 32. Сейчас теоретическим пределом для прямой адресации в процессорах с архитектурой х 86_64 является 264=2147483648 ГБ.
Продолжение следует...
