Процессор және оның сипаттамалары
Жаңа телефон немесе ноутбук таңдап тұрсың делік. Сипаттамасында: «8 ядро, 3,2 ГГц, 12 Мбайт кэш, 64 бит». Бұл сандар нені білдіреді? Бұл сабақ дәл осы сұрақтарға жауап береді — процессордың ішіне үңіліп, барлық негізгі сипаттамасын бір-бірлеп талдаймыз.
Адам денесінде барлық мүшенің жұмысын ми басқарады. Компьютерде дәл осындай «ми» бар — процессор. Ол компьютер ғана емес — смартфон, автокөлік, тіпті кейбір ойыншықтар да процессормен басқарылады.
Процессор (орталық процессор, ағыл. CPU — Central Processing Unit) — ақпаратты өңдейтін және компьютердің барлық құрылғыларының жұмысын үйлестіретін негізгі микросхема.
Физикалық тұрғыда процессор — жартылай өткізгішті кристалл: өте таза кремнийден жасалып, керамикалық корпусқа орнатылады. Транзисторлар саны — ондаған миллион, заманауи модельдерде миллиардқа жетеді. Графикаға арналған бөлек процессор бар — GPU (Graphics Processing Unit): ойын ойнағанда CPU деректерді өңдеп бейнекартаға жібереді, ал GPU дайын бейнені есептеп, мониторға шығарады.
| Қызметі | Адам | Компьютер |
|---|---|---|
| Ақпаратты сақтау | Зерде | Жад |
| Ақпаратты өңдеу | Ойлау жүйесі | Процессор |
| Ақпаратты қабылдау | Сезім мүшелері | Енгізу құрылғылары |
| Ақпаратты тасымалдау | Сөйлеу, қозғалыс | Шығару құрылғылары |
Салыстырудың шегі бар: адам миы органикалық, әлдеқайда қарқынды. Қазіргі компьютердегі ең үлкен жедел жад — 128 Гбайт, ең үлкен қатқыл диск — 14 Тбайт. Ал адам миының жады 2,5 Пбайтқа (≈2500 Тбайт) бағаланады — компьютер жадынан шамамен 180 есе үлкен.
1940-жылдары математик Джон фон Нейман компьютердің қандай бөліктерден тұруы керектігін сызып берді — сол сәулет бүгінге дейін қолданылады. Фон Нейман сәулеті бойынша компьютер төрт бөліктен тұрады: арифметикалық-логикалық құрылғы (АЛҚ) — есептейді; басқару құрылғысы — командалардың орындалуын ұйымдастырады; жады — программалар мен деректерді сақтайды; енгізу-шығару құрылғылары. Қазіргі компьютерлерде АЛҚ мен басқару құрылғысы процессорға біріктірілген.
Процессордың ішіне «микроскоппен» қарасақ: басқару құрылғысы — диспетчер; АЛҚ — есепші; регистрлер — жұмыс үстелі; кэш-жад — қол астындағы сөре; сопроцессор — қосымша көмекші; процессор интерфейсі — сыртқы құрылғылармен байланыс.
Регистр — процессордың машиналық сөз сақталатын жад ұяшығы. Машиналық сөз — екілік кодта жазылған сан немесе команда. Регистрлер 8, 16, 32, 64 разрядты болады.
Дүкендегі жапсырмадағы бірінші сан — «64 бит». Бұл не? Процессор деректерді «жүріспен» тасиды — әр жүріс такт деп аталады. Ал бір тактіде қанша бит «көтере алатыны» — оның разрядтылығы.
Процессор разрядтылығы — бір тактіде процессор өңдей алатын бит саны (регистр өлшемі). Процессорлар 8, 16, 32, 64 разрядты болады.
32 разрядты процессор бір тактіде 4 байт, 64 разрядты — 8 байт өңдейді. Алғашқы модельдер 16-разрядты болды (IBM PC 80286), кейін 32 разрядтылар келді, ал 2014 жылдан бастап 64 разрядты процессорлар негіз болды.
Тактілік жиілік — процессордың бір секундта орындайтын тактілер саны. Өлшем бірлігі — Герц (Гц). Заманауи процессорлар 3–4 ГГц жиілікте жұмыс істейді — секундына 3–4 миллиард такт!
Өнімділік формуласы
Процессор өнімділігі = разрядтылық × жиілік × бір тактідегі командалар саны. «Жылдам компьютер» деген — тек жиілік емес, үшеуі бірге жұмыс істейді.
Жедел жад — «кітапхана»: үлкен, бірақ барып-келу уақыт алады. Процессор жиі қолданатын деректердің көшірмесін өз жанындағы шағын, өте жылдам жадқа сақтап қояды.
Кэш-жад — процессор мен жедел жад арасында қолданылатын, ақпаратты уақытша сақтауға арналған шағын әрі аса жылдам буферлік жад.
Іздеу реті: алдымен регистр → сосын кэш → сосын жедел жад → ең соңында қатқыл диск (HDD).
| Деңгей | Орналасуы | Жылдамдығы | Көлемі |
|---|---|---|---|
| L1 | Тікелей ядрода | Ең жылдам | ≤128 Кбайт |
| L2 | Процессорда | L1-ден төмен | 128 Кбайт–12 Мбайт |
| L3 | Аналық тақшада | L1/L2-ден баяу | Ең үлкен |
Бір аспаз қанша шебер болса да, жүз тапсырысты кезекпен ғана пісіреді. Ал төрт аспаз болса — төрт тағам бір мезгілде дайындалады! Процессор жиілігін шексіз арттыруға болмайды — жиілік өскен сайын жылу бөлінуі де күрт артады. Инженерлер шешімді басқа жақтан тапты: бір корпусқа бірнеше есептеу ядросын орнатты.
Көпядролы процессор — аналық тақшаға біріктіріліп, өзара байланыстырылған бірнеше процессордың (ядроның) жиынтығы.
Бір ядролы процессор тапсырмаларды ретімен орындайды, екі ядролы — екі тапсырманы бір уақытта, төрт ядролы — төртеуін бірмезгілде. Алғашқы екіядролықтар: Intel Core 2 Duo, AMD Dual-Core. Intel алғашқы 8 ядролы Core i7-5960X процессорын шығарды (1 млрд транзистор). Ойын ноутбуктері әдетте кемінде 4 ядролы болады.
Жүйелік шина (FSB) — процессордың жүйелік блоктағы құрылғылармен ақпарат алмасуына арналған байланыс арналарының жиынтығы. Разрядтылығы (8/16/32/64) мен жиілігі (66–1666 МГц) бар.
Процессор жедел жадтан дерек алу үшін оның адресін білуі керек — адрес адрестік шина арқылы беріледі. Шина n разрядты болса, онымен 2ⁿ түрлі адрес жіберуге болады. Осы 2ⁿ мәні — процессордың адрестік кеңістігі.
Адрестік кеңістік
Негізгі екі компания: Intel (алғашқы процессорды 1971 жылы шығарды) және AMD (АҚШ үкіметінің шешімімен құрылған, 1995 жылдан өз чиптерін шығарады). Үшінші ойыншы — Apple Silicon: iPhone, iPad, Mac-те қолданылады, 2020 жылдан Intel-ден өз чиптеріне көшуде.
Техпроцесс — транзистордың өлшемі. Заманауи процессорлар 14 нм-мен жасалады. Нанометр — метрдің миллиардтан бір бөлігі (адам шашы ≈ 100 000 нм). Intel эволюциясы: 2011 — 22 нм, 2013 — 14 нм, одан кейін 10, 7, 5 нм.
- Процессор — компьютердің «миы»: басқару құрылғысы, АЛҚ, регистрлер, кэш (фон Нейман сәулетінің мұрагері).
- Разрядтылық — бір тактідегі бит; тактілік жиілік — секундтағы такт (Гц).
- Кэш — жылдам буфер: L1 (ең жылдам, ең кіші) → L2 → L3 (ең үлкен).
- Ядролар саны — параллель тапсырма орындау мүмкіндігі.
- Адрестік кеңістік = 2ⁿ, мұндағы n — адрес шинасының разрядтылығы.