Устройство и принцип работы процессора

Процессор – это основное устройство ЭВМ, выполняющее логические и арифметические операции, и осуществляющее управление всеми компонентами ЭВМ. Процессор представляет собой миниатюрную тонкую кремниевую пластинку прямоугольной формы, на которой размещается огромное количество транзисторов, реализующих все функции, выполняемые процессором. Кремневая пластинка – очень хрупкая, а так как ее любое повреждение приведет к выходу из строя процессора, то она помещается в пластиковый или керамический корпус.

1. Введение.

Современный процессор – это сложное и высокотехнологическое устройство, включающее в себя все самые последние достижения в области вычислительной техники и сопутствующих областей науки.

Большинство современных процессоров состоит из:

• одного или нескольких ядер, осуществляющих выполнение всех инструкций;
• нескольких уровней КЭШ-памяти (обычно, 2 или три уровня), ускоряющих взаимодействие процессора с ОЗУ;
• контроллера ОЗУ;
• контроллера системной шины (DMI, QPI, HT и т.д.);

И характеризуется следующими параметрами:

• типом микроархитектуры;
• тактовой частотой;
• набором выполняемых команд;
• количеством уровней КЭШ-памяти и их объемом;
• типом и скоростью системной шины;
• размерами обрабатываемых слов;
• наличием или отсутствием встроенного контроллера памяти;
• типом поддерживаемой оперативной памяти;
• объемом адресуемой памяти;
• наличием или отсутствием встроенного графического ядра;
• энергопотреблением.

Упрощенная структурная схема современного многоядерного процессора представлена на рисунке 1.

Начнем обзор устройства процессора с его основной части – ядра.

2. Ядро процессора.

Ядро процессора – это его основная часть, содержащая все функциональные блоки и осуществляющая выполнение всех логических и арифметических операций.

На рисунке 1 приведена структурная схема устройства ядра процессора. Как видно на рисунке, каждое ядро процессора состоит из нескольких функциональных блоков:

• блока выборки инструкций;
• блоков декодирования инструкций;
• блоков выборки данных;
• управляющего блока;
• блоков выполнения инструкций;
• блоков сохранения результатов;
• блока работы с прерываниями;
• ПЗУ, содержащего микрокод;
• набора регистров;
• счетчика команд.

Блок выборки инструкций осуществляет считывание инструкций по адресу, указанному в счетчике команд. Обычно, за такт он считывает несколько инструкций. Количество считываемых инструкций обусловлено количеством блоков декодирования, так как необходимо на каждом такте работы максимально загрузить блоки декодирования. Для того чтобы блок выборки инструкций работал оптимально, в ядре процессора имеется предсказатель переходов.

Предсказатель переходов пытается определить, какая последовательность команд будет выполняться после совершения перехода. Это необходимо, чтобы после условного перехода максимально нагрузить конвейер ядра процессора.

Блоки декодирования , как понятно из названия, – это блоки, которые занимаются декодированием инструкций, т.е. определяют, что надо сделать процессору, и какие дополнительные данные нужны для выполнения инструкции. Задача эта для большинства современных коммерческих процессоров, построенных на базе концепции CISC, – очень сложная. Дело в том, что длина инструкций и количество операндов – нефиксированные, и это сильно усложняет жизнь разработчикам процессоров и делает процесс декодирования нетривиальной задачей.

Часто отдельные сложные команды приходится заменять микрокодом – серией простых инструкций, в совокупности выполняющих то же действие, что и одна сложная инструкция. Набор микрокода прошит в ПЗУ, встроенном в процессоре. К тому же микрокод упрощает разработку процессора, так как отпадает надобность в создании сложноустроенных блоков ядра для выполнения отдельных команд, да и исправить микрокод гораздо проще, чем устранить ошибку в функционировании блока.

В современных процессорах, обычно, бывает 2-4 блока декодирования инструкций, например, в процессорах Intel Core 2 каждое ядро содержит по два таких блока.

Блоки выборки данных осуществляют выборку данных из КЭШ-памяти или ОЗУ, необходимых для выполнения текущих инструкций. Обычно, каждое процессорное ядро содержит несколько блоков выборки данных. Например, в процессорах Intel Core используется по два блока выборки данных для каждого ядра.

Управляющий блок на основании декодированных инструкций управляет работой блоков выполнения инструкций, распределяет нагрузку между ними, обеспечивает своевременное и верное выполнение инструкций. Это один из наиболее важных блоков ядра процессора.

Блоки выполнения инструкций включают в себя несколько разнотипных блоков:

ALU – арифметическое логическое устройство;

FPU – устройство по выполнению операций с плавающей точкой;

Блоки для обработки расширения наборов инструкций. Дополнительные инструкции используются для ускорения обработки потоков данных, шифрования и дешифрования, кодирования видео и так далее. Для этого в ядро процессора вводят дополнительные регистры и наборы логики. На данный момент наиболее популярными расширениями наборов инструкция являются:

MMX (Multimedia Extensions) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения кодирования и декодирования потоковых аудио и видео-данных;

SSE (Streaming SIMD Extensions) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для выполнения одной и той же последовательности операций над множеством данных с распараллеливанием вычислительного процесса. Наборы команд постоянно совершенствуются, и на данный момент имеются ревизии: SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4;

ATA (Application Targeted Accelerator) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы специализированного программного обеспечения и снижения энергопотребления при работе с такими программами. Эти инструкции могут использоваться, например, при расчете контрольных сумм или поиска данных;

3DNow – набор инструкций, разработанный компанией AMD, для расширения возможностей набора инструкций MMX;

AES (Advanced Encryption Standard) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы приложений, использующих шифрование данных по одноименному алгоритму.

Блок сохранения результатов обеспечивает запись результата выполнения инструкции в ОЗУ по адресу, указанному в обрабатываемой инструкции.

Блок работы с прерываниями. Работа с прерываниями – одна из важнейших задач процессора, позволяющая ему своевременно реагировать на события, прерывать ход работы программы и выполнять требуемые от него действия. Благодаря наличию прерываний, процессор способен к псевдопараллельной работе, т.е. к, так называемой, многозадачности.

Обработка прерываний происходит следующим образом. Процессор перед началом каждого цикла работы проверяет наличие запроса на прерывание. Если есть прерывание для обработки, процессор сохраняет в стек адрес инструкции, которую он должен был выполнить, и данные, полученные после выполнения последней инструкции, и переходит к выполнению функции обработки прерывания.

После окончания выполнения функции обработки прерывания, из стека считываются сохраненные в него данные, и процессор возобновляет выполнение восстановленной задачи.

Регистры – сверхбыстрая оперативная память (доступ к регистрам в несколько раз быстрее доступа к КЭШ-памяти) небольшого объема (несколько сотен байт), входящая в состав процессора, для временного хранения промежуточных результатов выполнения инструкций. Регистры процессора делятся на два типа: регистры общего назначения и специальные регистры.

Регистры общего назначения используются при выполнении арифметических и логических операций, или специфических операций дополнительных наборов инструкций (MMX, SSE и т.д.).

Регистры специального назначения содержат системные данные, необходимые для работы процессора. К таким регистрам относятся, например, регистры управления, регистры системных адресов, регистры отладки и т.д. Доступ к этим регистрам жестко регламентирован.

Счетчик команд – регистр, содержащий адрес команды, которую процессор начнет выполнять на следующем такте работы.

2.1 Принцип работы ядра процессора.

Принцип работы ядра процессора основан на цикле, описанном еще Джоном фон Нейманом в 1946 году. В упрощенном виде этапы цикла работы ядра процессора можно представить следующим образом:

1. Блок выборки инструкций проверяет наличие прерываний. Если прерывание есть, то данные регистров и счетчика команд заносятся в стек, а в счетчик команд заносится адрес команды обработчика прерываний. По окончанию работы функции обработки прерываний, данные из стека будут восстановлены;

2. Блок выборки инструкций из счетчика команд считывает адрес команды, предназначенной для выполнения. По этому адресу из КЭШ-памяти или ОЗУ считывается команда. Полученные данные передаются в блок декодирования;

3. Блок декодирования команд расшифровывает команду, при необходимости используя для интерпретации команды записанный в ПЗУ микрокод. Если это команда перехода, то в счетчик команд записывается адрес перехода и управление передается в блок выборки инструкций (пункт 1), иначе счетчик команд увеличивается на размер команды (для процессора с длинной команды 32 бита – на 4) и передает управление в блок выборки данных;

4. Блок выборки данных считывает из КЭШ-памяти или ОЗУ требуемые для выполнения команды данные и передает управление планировщику;

5. Управляющий блок определяет, какому блоку выполнения инструкций обработать текущую задачу, и передает управление этому блоку;

6. Блоки выполнения инструкций выполняют требуемые командой действия и передают управление блоку сохранения результатов;

7. При необходимости сохранения результатов в ОЗУ, блок сохранения результатов выполняет требуемые для этого действия и передает управление блоку выборки инструкций (пункт 1).

Описанный выше цикл называется процессом (именно поэтому процессор называется процессором). Последовательность выполняемых команд называется программой.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовой частотой процессора, а время работы каждого этапа цикла и время, затрачиваемое на полное выполнение одной инструкции, определяется устройством ядра процессора.

2.2. Способы повышения производительности ядра процессора.

Увеличение производительности ядра процессора, за счет поднятия тактовый частоты, имеет жесткое ограничение. Увеличение тактовой частоты влечет за собой повышение температуры процессора, энергопотребления и снижение стабильности его работы и срока службы.

Поэтому разработчики процессоров применяют различные архитектурные решения, позволяющие увеличить производительность процессоров без увеличения тактовой частоты.

Рассмотрим основные способы повышения производительности процессоров.

2.2.1. Конвейеризация.

Каждая инструкция, выполняемая процессором, последовательно проходит все блоки ядра, в каждом из которых совершается своя часть действий, необходимых для выполнения инструкции. Если приступать к обработке новой инструкции только после завершения работы над первой инструкцией, то большая часть блоков ядра процессора в каждый момент времени будет простаивать, а, следовательно, возможности процессора будут использоваться не полностью.

Рассмотрим пример, в котором процессор будет выполнять программу, состоящую из пяти инструкций (К1–К5), без использования принципа конвейеризации. Для упрощения примера примем, что каждый блок ядра процессора выполняет инструкцию за 1 такт.

Такты	Выборка инструкции	Декодирование инструкции	Выборка данных	Выполнение инструкции	Сохранение результата
1	K1	-	-	-	-
2	-	K1	-	-	-
3	-	-	K1	-	-
4	-	-	-	K1	-
5	-	-	-	-	K1
6	K2	-	-	-	-
7	-	K2	-	-	-
8	-	-	K2	-	-
9	-	-	-	K2	-
10	-	-	-	-	K2
11	K3	-	-	-	-
12	-	K3	-	-	-
13	-	-	K3	-	-
14	-	-	-	K3	-
15	-	-	-	-	K3
16	K4	-	-	-	-
17	-	K4	-	-	-
18	-	-	K4	-	-
19	-	-	-	K4	-
20	-	-	-	-	K4
21	K5	-	-	-	-
22	-	K5	-	-	-
23	-	-	K5	-	-
24	-	-	-	K5	-
25	-	-	-	-	K5

Как видно из таблицы, для выполнения пяти инструкций процессору понадобилось 25 тактов. При этом в каждом такте четыре из пяти блоков ядра процессора простаивали, т.е. процессор использовал всего 20% своего потенциала. Естественно, в реальных процессорах все сложнее. Разные блоки процессора решают разные по сложности задачи. Сами инструкции тоже отличаются друг от друга по сложности. Но в общем ситуация остается такой же.

Для решения этой проблемы во всех современных процессорах выполнение инструкций построено по принципу конвейера, то есть по мере освобождения блоков ядра, они загружаются обработкой следующей инструкции, не дожидаясь пока предыдущая инструкция выполнится полностью.

Рассмотрим пример выполнения той же программы, состоящей из пяти инструкций, но с использованием принципа конвейеризации.

Такты	Выборка инструкции	Декодирование инструкции	Выборка данных	Выполнение инструкции	Сохранение результата
1	K1	-	-	-	-
2	K2	K1	-	-	-
3	K3	K2	K1	-	-
4	K4	K3	K2	K1	-
5	K5	K4	K3	K2	K1
6	-	K5	K4	K3	K2
7	-	-	K5	K4	K3
8	-	-	-	K5	K4
9	-	-	-	-	K5

Та же программа была выполнена за 9 тактов, что почти 2.8 раза быстрее, чем при работе без конвейера. Как видно из таблицы максимальная загрузка процессора была получена на 5 такте. В этот момент использовались все блоки ядра процессора. А с первого по четвертый такт, включительно, происходило наполнение конвейера.

Так как процессор выполняет команды непрерывно, то, в идеале, он мог бы быть занят на 100%, при этом, чем длиннее был бы конвейер, тем больший выигрыш в производительности был бы получен. Но на практике это не так.

Во-первых, реальный поток команд, обрабатываемый процессором – непоследовательный. В нем часто встречаются переходы. При этом пока команда условного перехода не будет обработана полностью, конвейер не сможет начать выполнение новой команды, так как не знает, по какому адресу она находится.

После условного перехода конвейер приходится наполнять заново. И чем длиннее конвейер, тем дольше это происходит. В результате, прирост производительности от введения конвейера снижается.

Для уменьшения влияния условных переходов на работу конвейера, в ядро процессора вводятся блоки предсказания условных переходов. Основная задача этих блоков – определить, когда будет совершен условный переход и какие команды будут выполнены после совершения условного перехода.

Если условный переход удалось предсказать, то выполнение инструкций по новому адресу начинается раньше, чем будет закончена обработка команды условного перехода. В результате, наполнение конвейера не пострадает.

По статистике, точность блоков предсказания условных переходов в современных процессорах превышает 90%, что позволяет делать достаточно длинные, но при этом хорошо наполняемые конвейеры.

Во-вторых, часто обрабатываемые инструкции – взаимосвязаны, то есть одна из инструкций требует в качестве исходных данных результата выполнения другой инструкции.

В этом случае она может быть выполнена только после полного завершения обработки первой инструкции. Однако современные процессоры могут анализировать код на несколько инструкций вперед и, например, параллельно с первой инструкцией обработать третью инструкцию, которая никак не зависит от первых двух.

В большинстве современных процессорах задача анализа взаимосвязи инструкций и составления порядка их обработки ложится на плечи процессора, что неминуемо ведет к снижению его быстродействия и увеличению стоимости.

Однако все большую популярность получает статическое планирование, когда порядок выполнения программы процессором определяется на этапе компиляции программы. В этом случае инструкции, которые можно выполнить параллельно, объединяются компилятором в одну длинную команду, в которой все инструкции заведомо параллельны. Процессоры, работающие с такими инструкциями, построены на базе архитектура VLIW (Very long instruction word).

2.2.2. Суперскалярность.

Суперскалярность – архитектура вычислительного ядра, при которой наиболее нагруженные блоки могут входить в нескольких экземплярах. Скажем, в ядре процессора блок выборки инструкций может нагружать сразу несколько блоков декодирования.

В этом случае блоки, выполняющие более сложные действия и работающие дольше, за счет параллельной обработки сразу нескольких инструкций не будут задерживать весь конвейер.

Однако параллельное выполнение инструкций возможно, только если эти инструкции – независимые.

Структурная схема ядра конвейера гипотетического процессора, построенного с использованием принципа суперскалярности, приведена на рисунке 1. На этом рисунке в каждом ядре процессора работает несколько блоков декодирования, несколько блоков выборки данных и несколько блоков выполнения инструкций.

2.2.3. Параллельная обработка данных.

Бесконечно повышать производительность процессоров, за счет увеличения тактовой частоты, невозможно. Увеличение тактовой частоты влечет за собой увеличение тепловыделения, уменьшение срока службы и надежности работы процессоров, да и задержки от обращения к памяти сильно снижают эффект от увеличения тактовой частоты. Действительно, сейчас практически не встретишь процессоры с тактовой частотой выше 3.8 ГГц.

Связанные с увеличением тактовой частоты проблемы заставляют разработчиков искать иные пути повышения производительности процессоров. Один из наиболее популярных способов – параллельные вычисления.

Подавляющее большинство современных процессоров имеют два и более ядра. Топовые модели могут содержать и 8, и даже 12 ядер, причем с поддержкой технологии hyper-threading. Преимущества от ввода дополнительных ядер вполне понятны, мы практически получаем несколько процессоров, способных независимо решать каждый свои задачи, при этом, естественно, возрастает производительность. Однако прирост производительности далеко не всегда оправдывает ожидания.

Во-первых, далеко не все программы поддерживают распределение вычислений на несколько ядер. Естественно, можно программы разделять между ядрами, чтобы на каждом ядре работал свой набор независимых программ. Например, на одном ядре работает операционная система с набором служебных программ, на другом пользовательские программы и так далее.

Но это дает выигрыш в производительности до тех пор, пока не появляется программа, требующая ресурсов больше, чем может дать одно ядро. Хорошо, если она поддерживает распределение нагрузки между несколькими ядрами. Но на данный момент общедоступных программ, способных распределить нагрузку между 12 ядрам, да еще в режиме Hyper-Threading, можно «сосчитать на пальцах одной руки». Я, конечно, утрирую, существуют программы, оптимизированные для многопоточных вычислений, но большинству простых пользователей они не нужны. А вот наиболее популярные программы, а тем более игры, пока что «плохо» адаптируются к многоядерным процессорам, особенно, если количество ядер больше четырех.

Во-вторых, усложняется работа с памятью, так как ядер – много, и всем им требуется доступ к ОЗУ. Требуется сложный механизм, определяющий очередность доступа ядер процессора к памяти и к другим ресурсам ЭВМ.

В-третьих, возрастает энергопотребление, а, следовательно, увеличивается тепловыделение и требуется мощная система охлаждения.

Ну и, в-четвертых, себестоимость производства многоядерных процессоров – немаленькая, а, соответственно, и цена на такие процессоры «кусается».

Несмотря на все недостатки, применение процессоров с 2-4 ядрами, несомненно, дает значительный прирост производительности. Однако, на данный момент, применение процессоров с количеством ядер больше четырех не всегда оправдывает ожидание. Однако, в ближайшем будущем, ситуация должна кардинально измениться. Обязательно появится множество программ с поддержкой многопоточности, производительность отдельных ядер возрастет, а их цена снизится.

2.2.4. Технология Hyper-Threading.

Технология Intel Hyper-threading позволяет каждому ядру процессора выполнять две задачи одновременно, по сути, делая из одного реального ядра два виртуальных. Это возможно из-за того, что в таких ядрах сохраняется состояние сразу двух потоков, так как у ядра есть свой набор регистров, свой счетчик команд и свой блок работы с прерываниями для каждого потока. В результате, операционная система видит такое ядро, как два отдельных ядра, и будет с ними работать так же, как работала бы с двуядерным процессором.

Однако остальные элементы ядра для обоих потоков – общие, и делятся между ними. Кроме этого, когда по какой-либо причине один из потоков освобождает элементы конвейера, другой поток использует свободные блоки.

Элементы конвейера могут быть не задействованы, если, например, произошел промах при обращении в КЭШ-память, и необходимо считать данные из ОЗУ, или неверно был предсказан переход, или ожидаются результаты обработки текущей инструкции, или какие-то блоки вообще не используются при обработке данной инструкции и т.д.

Большинство программ не могут полностью нагрузить процессор, так как некоторые, в основном, используют несложные целочисленные вычисления, практически не задействуя блок FPU. Другие же программы, например 3D-студия, требуют массу расчетов с использованием чисел с плавающей точкой, но при этом освобождая некоторые другие исполнительные блоки и так далее.

К тому же практически во всех программах – много условных переходов и зависимых переменных. В результате, использование технологии Hyper-threading может дать существенный прирост производительности, способствуя максимальной загрузке конвейера ядра.

Но не все так просто. Естественно, прирост производительности будет меньше, чем от использования нескольких физических ядер, так как все-таки потоки используют общие блоки одного конвейера и часто вынуждены ждать освобождения требуемого блока. К тому же большинство процессоров уже имеют несколько физических ядер, и при использовании технологии Hyper-threading виртуальных ядер может стать слишком много, особенно, если процессор содержит четыре и больше физических ядра.

Так как на данный момент программ, способных распределять вычисления на большое количество ядер, – крайне мало, то в этом случае результат может разочаровать пользователей.

Есть еще одна серьезная проблема технологии Hyper-Threading – это конфликты, возникающие, когда инструкции разных потоков нуждаются в однотипных блоках. Может сложиться ситуация, когда параллельно будут работать два схожих потока, часто использующие одни и те же блоки. В таком случае прирост производительности будет минимален.

В результате, технология Hyper-Threading очень зависима от типа нагрузки на процессор и может дать хороший прирост производительности, а может быть практически бесполезной.

2.2.5. Технология Turbo Boost.

Производительность большинства современных процессоров в домашних условиях можно немного поднять, попросту говоря разогнать – заставить работать на частотах, превышающих номинальную, т.е. заявленную производителем.

Частота процессора рассчитывается, как частота системной шины, умноженная на некий коэффициент, называемый множителем. Например, процессор Core i7-970 работает с системной шиной DMI на базовой частоте – 133 МГц, и имеет множитель – 24. Таким образом, тактовая частота ядра процессора составит: 133 Мгц*24= 3192 Мгц.

Если в настройках BIOS увеличить множитель или поднять тактовую частоту системной шины, то тактовая частота процессора увеличится, а, соответственно, увеличится и его производительность. Однако процесс этот – далеко небезопасный. Из-за разгона процессор может работать нестабильно или вообще выйти из строя. Поэтому к разгону нужно подходить ответственно и тщательно контролировать параметры работы процессора.

С появление технологии Turbo Boost все стало гораздо проще. Процессоры с этой технологией могут сами динамически, на короткий промежуток времени, повышать тактовую частоту, тем самым, увеличивая свою производительность. При этом процессор контролирует все параметры своей работы: напряжение, силу тока, температуру и т.д., не допуская сбоев и тем более выхода из строя. Например, процессор может отключить неиспользуемые ядра, тем самым, понизив общую температуру, а взамен увеличить тактовую частоту остальных ядер.

Так как на данный момент существует не очень много программ, использующих для обработки данных все процессорные ядра, особенно, если их больше четырех, то применение технологии Turbo Boost позволяет значительно поднять производительность процессора, особенно, при работе с однопоточными приложениями.

2.2.6. Эффективность выполнения команд.

В зависимости от типов обрабатываемых инструкций и способа их исполнения, процессоры подразделяются на несколько групп:

• на классические процессоры CISC;
• на процессоры RISC с сокращенным набором команд;
• на процессоры MISC c минимальным набором команд;
• на процессоры VLIW с набором сверхдлинных команд.

CISC (Complex instruction set computer) – это процессоры со сложным набором команд. Архитектура CISC характеризуется:

• сложными и многоплановыми инструкциями;
• большим набором различных инструкций;
• нефиксированной длиной инструкций;
• многообразием режимов адресации.

Исторически, процессоры с архитектурой CISC появились первыми, и их появление было обусловлено общей тенденцией разработки первых ЭВМ. ЭВМ стремились сделать более функциональными и в то же время простыми для программирования. Естественно, для программистов вначале было удобнее иметь широкий набор команд, чем реализовывать каждую функцию целой отдельной подпрограммой. В результате, объем программ сильно сокращался, а вместе с ним и трудоемкость программирования.

Однако такая ситуация продолжалась недолго. Во-первых, с появлением языков высокого уровня отпала необходимость непосредственного программирования в машинных кодах и на ассемблере, и, во-вторых, со временем количество различных команд сильно выросло, а сами инструкции усложнились. В результате, большинство программистов, в основном, использовали какой-то определенный набор инструкций, практически игнорируя наиболее сложные инструкции.

В результате, программисты уже не имели особой выгоды от широкого набора инструкций, так как компиляция программ стала автоматической, а сами процессоры обрабатывали сложные и разнообразные инструкции медленно, в основном, из-за проблем с их декодированием.

К тому же новые сложные инструкции разработчики процессоров отлаживали меньше, так как это был трудоемкий и сложный процесс. В результате, некоторые из них могли содержать ошибки.

Ну и, естественно, чем сложнее инструкции, чем больше действий они выполняют, тем сложнее их выполнение распараллеливать, и, соответственно, тем менее эффективно они загружают конвейер процессора.

Однако к этому моменту уже было разработано огромное количество программ для процессоров с CISC архитектурой, поэтому экономически было невыгодно переходить на принципиально новую архитектуру, даже дающую выигрыш в производительности процессора.

Поэтому был принят компромисс, и CISC процессоры, начиная с Intel486DX, стали производить с использованием RISC-ядра. Т.е., непосредственно перед исполнением, сложные CISC-инструкции преобразуют в более простой набор внутренних инструкций RISC. Для этого используют записанные в размещенном внутри ядра процессора ПЗУ наборы микрокоманд – серии простых инструкций, в совокупности выполняющих те же действия, что и одна сложная инструкция.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессоры с сокращенным набором инструкций.

В концепции RISC-процессоров предпочтение отдается коротким, простым и стандартизированным инструкциям. В результате, такие инструкции проще декодировать и выполнять, а, следовательно, устройство процессора становится так же проще, так как не требуется сложных блоков для выполнения нестандартных и многофункциональных инструкций. В результате, процессор становится дешевле, и появляется возможность дополнительно поднять его тактовую частоту, за счет упрощения внутренней структуры и уменьшения количества транзисторов, или снизить энергопотребление.

Так же простые RISC-инструкции гораздо проще распараллеливать, чем CISC-инструкции, а, следовательно, появляется возможность больше загрузить конвейер, ввести дополнительные блоки обработки инструкций и т.д.

Процессоры, построенные по архитектуре RISC, обладают следующими основными особенностями:

• фиксированная длина инструкций;
• небольшой набор стандартизированных инструкций;
• большое количество регистров общего назначения;
• отсутствие микрокода;
• меньшее энергопотребление, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности;
• более простое внутреннее устройство;
• меньшее количество транзисторов, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности;
• отсутствие сложных специализированных блоков в ядре процессора.

В результате, хотя RISC-процессоры и требуют выполнения большего количества инструкций для решения одной и той же задачи, по сравнению с CISС-процессорами, они, в общем случае, показывают более высокую производительность. Во-первых, выполнение одной RISC-инструкции занимает гораздо меньше времени, чем выполнение CISC-инструкции. Во-вторых, RISC-процессоры более широко используют возможности параллельной работы. В-третьих, RISC-процессоры могут иметь более высокую тактовую частоту, по сравнению с CISC-процессорами.

Однако, несмотря на явное преимущество RISC, процессоры не получили столь серьезного распространения, как CISC. Правда, связано это в основном не с тем, что они по каким-то параметрам могли быть хуже CISC-процессоров. Они не хуже. Дело в том, что СISC-процессоры появились первыми, а программное обеспечение для CISC -процессоров – несовместимо с RISC-процессорами.

В результате, экономически крайне невыгодно переписывать все программы, которые уже разработаны, отлажены и используются огромным количеством пользователей. Вот так и получилось, что теперь мы вынуждены использовать CISC-процессоры. Правда, как я уже говорил, разработчики нашли компромиссное решение данной проблемы, и уже очень давно в CISC-процессорах используют RISC-ядро и замену сложных команд на микропрограммы. Это позволило несколько сгладить ситуацию. Но все же RISC-процессоры по большинству параметров выигрывают даже у CISC-процессоров с RISC-ядром.

MISC (Minimal Instruction Set Computer) – дальнейшее развитие архитектуры RISС, основанное на еще большем упрощении инструкций и уменьшении их количества. Так, в среднем, в MISC-процессорах используется 20-30 простых инструкций. Такой подход позволил еще больше упростить устройство процессора, снизить энергопотребление и максимально использовать возможности параллельной обработки данных.

VLIW (Very long instruction word) – архитектура процессоров, использующая инструкции большой длины, содержащие сразу несколько операций, объединенных компилятором для параллельной обработки. В некоторых реализациях процессоров длина инструкций может достигать 128 или даже 256 бит.

Архитектура VLIW является дальнейшим усовершенствованием архитектуры RISC и MISC с углубленным параллелизмом.

Если в процессорах RISC организацией параллельной обработки данных занимался сам процессор, при этом, затрачивая часть ресурсов на анализ инструкций, выявление зависимостей и предсказание условных переходов (причем, зачастую, процессор мог ошибаться, например, в предсказании условных переходов, тем самым внося серьезные задержки в обработку инструкций, или просматривать код программы на недостаточную глубину для выявления независимых операций, которые могли бы выполняться параллельно), то в VLIW-процессорах задача оптимизации параллельной работы возлагалась на компилятор, который не был ограничен ни во времени, ни в ресурсах и мог проанализировать всю программу для составления оптимального для работы процессора кода.

В результате, процессор VLIW выигрывал не только от упразднения накладных расходов на организацию параллельной обработки данных, но и получал прирост производительности, из-за более оптимальной организации параллельного выполнения инструкций.

Кроме этого упрощалась конструкция процессора, так как упрощались или вовсе упразднялись некоторые блоки, отвечающие за анализ зависимостей и организацию распараллеливания обработки инструкций, а это, в свою очередь, вело к снижению энергопотребления и себестоимости процессоров.

Однако даже компилятору тяжело справляться с анализом кода и организацией его распараллеливания. Часто код программы был сильно взаимозависимый, и, в результате, в инструкции компилятору приходилось вставлять пустые команды. Из-за этого программы для VLIW-процессоров могли быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных архитектур.

Первые VLIW-процессоры появились в конце 1980-х годов и были разработаны компанией Cydrome. Так же к процессорам с этой архитектурой относятся процессоры TriMedia фирмы Philips, семейство DSP C6000 фирмы Texas Instruments, Эльбру?с 2000 – процессор российского производства, разработанный компанией МЦСТ при участии студентов МФТИ и др. Поддержка длинных инструкций с явным параллелизмом есть и в процессорах семейства Itanium.

2.3. Способы снижения энергопотребления процессора.

Не менее, чем производительность, для процессора важен и такой параметр, как энергопотребление. Особенно остро вопрос энергопотребления встал сейчас, когда наблюдается настоящий бум популярности портативных устройств.

Нашу жизнь уже нельзя представить комфортной без использования ноутбуков, планшетных компьютеров и смартфонов. Однако единственное, что омрачает эту тенденцию, – это время автономной работы подобных устройств. Так ноутбуки, в среднем, могут автономно работать 3-5 часов, планшеты – чуть больше, смартфоны уже могут протянуть при полной нагрузке почти сутки и то не все. Но все это крайне мало для комфортной работы с ними.

Время автономной работы этих устройств напрямую зависит от их энергопотребления, и немалая доля энергопотребления приходится на процессор. Для снижения энергопотребления процессоров используются различные способы и технологии. Давайте рассмотрим наиболее популярные из них.

Самый простой способ снизить энергопотребление и тепловыделение процессора – это уменьшить его тактовую частоту и напряжение, так как энергопотребление процессора пропорционально квадрату его рабочего напряжения и пропорционально тактовой частоте. Наиболее выгодно на энергопотреблении сказывается снижение напряжения. Однако при понижении напряжения рано или поздно уменьшается и тактовая частота, что естественно повлечет за собой снижение производительности.

Однако, зачастую, энергопотребление бывает более критическим параметром работы, и некоторое снижение производительности допустимо. Так большинство мобильных версий процессоров и процессоров для встраиваемых систем имеют тактовую частоту и рабочее напряжение гораздо ниже, чем у их собратьев для настольных версий.

Но не всегда производители устанавливают оптимальное сочетание напряжения и тактовой частоты. Многие мобильные процессоры с установленной тактовой частотой могли бы работать с более низким напряжением, что позволило бы существенно продлить время автономной работы портативного компьютера.

Для получения оптимального соотношения производительности к энергопотреблению, необходимо подобрать такое напряжение, при котором на заданной тактовой частоте процессор будет стабильно работать.

Тактовая частота определяется, исходя из потребностей пользователя, затем для нее подбирается минимальное рабочее напряжение путем постепенного снижения напряжения и тестирования процессора под нагрузкой.

Существуют и не столь кардинальные пути решения этой проблемы.

Например, технология EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology) позволяет динамически изменять энергопотребление процессора, за счет изменения тактовой частоты процессора и напряжения. Изменение тактовой частоты происходит, за счет уменьшения или увеличения коэффициента умножения.

О коэффициенте умножения я уже упоминал выше, но повторюсь. Тактовая частота процессора рассчитывается, как тактовая частота системной шины, умноженная на некий коэффициент, называемый коэффициентом умножения. Уменьшение или увеличение этого коэффициента ведет к уменьшению или увеличению тактовой частоты процессора и к снижению или увеличению рабочего напряжения.

В случаях, когда процессор используется не полностью, его тактовую частоту можно снизить, уменьшая коэффициент умножения. Как только пользователю потребуется больше вычислительных ресурсов, коэффициент умножения будет повышен, вплоть до своего номинального значения. Таким образом, удается несколько снизить энергопотребление.

Аналогичная технология для уменьшения энергопотребления, основанная на динамическом изменении напряжения и тактовой частоты, в зависимости от нагрузки на процессор, используется и компанией AMD, называется она - Cool’n’Quiet .

В абсолютном большинстве случаев вычислительные машины либо вовсе простаивают, либо используются лишь на долю своих возможностей. Например, для просмотра фильма или набора текста вовсе не нужно тех огромных вычислительных возможностей, которыми обладают современные процессоры. Тем более эти мощности не нужны и при простое компьютера, когда пользователь отошел или просто решил сделать небольшой перерыв. Снижая в такие моменты тактовую частоту процессора и его напряжение, можно получить очень серьезный прирост в экономии энергопотребления.

Параметры работы технологии EIST можно настраивать, используя BIOS и программное обеспечение операционной системы, и устанавливать требуемые для конкретного случая профили управления энергопотреблением, тем самым балансируя производительность процессора и его энергопотребление.

Естественно, разработчики стараются оптимизировать и саму структуру процессора для снижения энергопотребления и возможности работы процессора при сверхнизких напряжениях. Однако эта задача – крайне сложная и трудоемкая. Опытные образцы процессоров уже практически вплотную приблизились к порогу минимального рабочего напряжения и уже с трудом отличают напряжение логической единицы от логического нуля. Однако, несмотря на это, разработчики процессоров, в том числе инженеры корпорации Intel, обещают уменьшить энергопотребление современных процессоров аж в 100 раз за ближайшие десять лет. Ну что же, подождем и посмотрим, что у них выйдет.

3. КЭШ-память.

Несмотря на все технологии и уловки разработчиков, производительность процессора все-таки напрямую зависит от скорости выборки команд и данных из памяти. И даже, если процессор имеет сбалансированный и продуманный конвейер, использует технологию Hyper-Threading и так далее, но не обеспечивает должную скорость выборки данных и команд из памяти, то, в результате, общая производительность ЭВМ не оправдает ваших ожиданий.

Поэтому один из важнейших параметров устройства процессора – это КЭШ-память, призванная сократить время выборки команд и данных из основной оперативной памяти и выполняющая роль промежуточного буфера с быстрым доступом между процессором и основной оперативной памятью.

КЭШ-память строится на базе дорогой SRAM-памяти (static random access memory), обеспечивающей доступ к ячейкам памяти гораздо более быстрый, чем к ячейкам DRAM-памяти (dynamic random access memory), на базе которой построена оперативная память. К тому же SRAM-память не требует постоянной регенерации, что так же увеличивает ее быстродействие. Однако более подробно устройство SRAM, DRAM и других типов памяти рассмотрим в следующей статье, а сейчас более подробно рассмотрим принцип работы и устройства КЭШ-памяти.

КЭШ-память делится на несколько уровней. В современных процессорах, обычно, бывает три уровня, а в некоторых топовых моделях процессоров иногда встречается и четыре уровня КЭШ-памяти.

КЭШ-память более высокого уровня всегда больше по размеру и медленнее КЭШ-памяти более низкого уровня.

Самая быстрая и самая маленькая КЭШ-память – это КЭШ-память первого уровня. Она обычно работает на частоте процессора, имеет объем несколько сотен килобайт и располагается в непосредственной близости от блоков выборки данных и команд. При этом она может быть единой (Принстонская архитектура) или разделяться на две части (Гарвардская архитектура): на память команд и память данных. В большинстве современных процессоров используют разделенную КЭШ-память первого уровня, так как это позволяет одновременно с выборкой команд осуществлять выборку данных, что крайне важно для работы конвейера.

КЭШ-память второго уровня – более медленная (время доступа, в среднем, 8-20 тактов процессора), но зато имеет объем несколько мегабайт.

КЭШ-память третьего уровня – еще медленнее, но имеет сравнительно большой объем. Встречаются процессоры с КЭШ-памятью третьего уровня больше 24 Мб.

В многоядерных процессорах, обычно, последний уровень КЭШ-памяти делают общим для всех ядер. Причем, в зависимости от нагрузки на ядра, может динамически изменяться отведенный ядру объем КЭШ-памяти последнего уровня. Если ядро имеет высокую нагрузку, то ему выделяется больше КЭШ-памяти, за счет уменьшения объема КЭШ-памяти для менее нагруженных ядер. Не все процессоры обладают такой возможностью, а только поддерживающие технологию Smart Cache (например, Intel Smart Cache или AMD Balanced Smart Cache).

КЭШ-память более низкого уровня – обычно, индивидуальная для каждого ядра процессора.

Мы рассмотрели, как устроена КЭШ-память, давайте теперь разберемся, как она работает.

Процессор считывает из основной оперативной памяти данные и заносит их в КЭШ-память всех уровней, замещая данные, к которым давно и наиболее редко обращались.

В следующий раз, когда процессору понадобятся эти же данные, они будут считаны уже не из основной оперативной памяти, а из КЭШ-памяти первого уровня, что значительно быстрее. Если к этим данным процессор долго не будет обращаться, то они будут постепенно вытеснены из всех уровней КЭШ-памяти, вначале из первого, так как он самый маленький по объему, затем из второго и так далее. Но, даже если эти данные останутся только в третьем уровне КЭШ-памяти, все равно обращение к ним будет быстрее, чем к основной памяти.

Однако, чем больше уровней КЭШ-памяти, тем сложнее алгоритм замещения устаревших данных и тем больше времени тратится на согласования данных во всех уровнях КЭШ-памяти. В результате, выигрыш от скорости работы КЭШ-памяти быстро сходит на нет. К тому же SRAM-память – очень дорогая, и при больших объемах, а, как помните, каждый новый уровень КЭШ-памяти должен быть больше предыдущего, быстро снижается показатель цена-качество, что крайне негативно сказывается на конкурентоспособности процессора. Поэтому на практике больше четырех уровней КЭШ-памяти не делают.

Ситуация с КЭШ-памятью дополнительно усложняется в многоядерных процессорах, каждое ядро которых содержит свою КЭШ-память. Необходимо вводить дополнительную синхронизацию данных, хранящихся в КЭШ-памяти разных ядер. Например, один и тот же блок данных основной оперативной памяти был занесен в КЭШ-память первого и второго ядра процессора. Затем первый процессор изменил этот блок памяти. Получается, что в КЭШ-памяти второго процессора лежат уже устаревшие данные и необходимо их обновить, а это дополнительная нагрузка на КЭШ-память, что приводит к снижению общего быстродействия процессора. Эта ситуация тем сложнее, чем больше ядер в процессоре, чем больше уровней КЭШ-памяти и чем больше их объем.

Но, несмотря на такие трудности в работе с КЭШ-памятью, ее применение дает явный прирост скорости работы без существенного увеличения стоимости ЭВМ. И пока не будет придумана оперативная память, которая сможет по скорости соперничать с SRAM-памятью, а по цене – с DRAM-памятью, будет применяться иерархическая организация оперативной памяти с использованием нескольких уровней КЭШ-памяти.

Пожалуй, на этом закончим обзор устройства процессора, так как обзор системных шин и принцип их работы приводился в статье «Устройство и назначение материнской платы» , а описание контроллера основной оперативной памяти, часто входящего в состав процессора, типов оперативной памяти и принципов ее работы будет в следующей статье.

Процессор компьютера – это основной компонент компьютера, его «мозг», скажем так. Он выполняет все логические и арифметические операции, которые задает программа. Кроме этого он выполняет управление всеми устройствами компьютера.

Что собою представляет современный процессор

Сегодня процессоры изготавливаются в виде микропроцессоров. Визуально микропроцессор – это тонкая пластинка кристаллического кремния в форме прямоугольника. Площадь пластины несколько квадратных миллиметров, на ней расположены схемы, которые обеспечивают функциональность процессора ПК. Как правило, пластинка защищена керамическим или пластмассовым плоским корпусом, к которому подсоединена посредством золотых проводков с металлическими наконечниками. Такая конструкция позволяет подсоединить процессор к системной плате компьютера.

• шины адресов и шины данных;
• арифметико-логическое устройство;
• регистры;
• кэш (быстрая память небольшого объема 8-512 Кбайт);
• счетчики команд;
• математический сопроцессор.

Что такое архитектура процессора?

Архитектура процессора – это способность процессора выполнять набор машинных кодов. Это с точки зрения программистов. Но разработчики компьютерных составляющих придерживаются другой трактовки понятия «архитектура процессора». По их мнению, архитектура процессора – это отражение основных принципов внутренней организации определенных типов процессоров. Допустим, архитектура Intel Pentium обозначается Р5, Pentium II и Pentium III — Р6, а не так давно популярных Pentium 4 – NetBurst. Когда компания Intel закрыла Р5 для конкурирующих производителей, компания AMD разработала свою архитектуру К7 для Athlon и Athlon XP, а для Athlon 64 – К8.

Даже процессоры с одинаковой архитектурой могут существенно отличаться друг от друга. Эти различия обусловлены разнообразием процессорных ядер, которые обладают определенным набором характеристик. Наиболее частым отличием является различные частоты системной шины, а также размеры кэша второго уровня и технологическим характеристикам, по которым изготовлены процессоры. Очень часто смена ядра в процессорах из одного и того же семейства, требует также замены процессорного разъема. А это влечет за собой проблемы с совместимостью материнских плат. Но производители постоянно совершенствуют ядра и вносят постоянные, но не значительные изменения в ядре. Такие нововведения называют ревизией ядер и, как правило, обозначаются цифробуквенными комбинациями.

Системная шина или процессорная шина (FSB – Front Side Bus) – это совокупность сигнальных линий, которые объединены по назначению (адреса, данные и т.д.). Каждая линия имеет определенный протокол передачи информации и электрическую характеристику. То есть системная шина – это связующее звено, которое соединяет сам процессор и все остальные устройства ПК (жесткий диск, видеокарта, память и многое другое). К самой системной шине подключается только CPU, все остальные устройства подключаются через контроллеры, которые находятся в северном мосте набора системной логики (чипсет) материнской платы. Хотя в некоторых процессорах контролер памяти подключен непосредственно в процессор, что обеспечивает более эффективный интерфейс памяти CPU.

Кеш или быстрая память – это обязательная составляющая всех современных процессоров. Кеш является буфером между процессором и контроллером достаточно медленной системной памяти. В буфере хранятся блоки данных, отрабатываемых в данный момент, и процессору не нужно постоянно обращаться к медленной системной памяти. Естественно, это значительно увеличивает общую производительность самого процессора.

В процессорах, используемых сегодня, кэш поделен на несколько уровней. Самый быстрый – первый уровень L1, который производит работу с ядром процессора. Он обычно разделен на две части – это кэш данных и кэш инструкций. С L1 взаимодействует L2 – кэш второго уровня. Он намного больше по объему и не разделен на кэш инструкций и кэш данных. У некоторых процессоров существует L3 – третий уровень, он еще больше второго уровня, но на порядок медленнее, так как шина между вторым и третьим уровнем уже, чем между первым и вторым. Тем не менее, скорость третьего уровня все равно гораздо выше, нежели скорость системной памяти.

Различают кэш по двум видам – эксклюзивный и не эксклюзивный.

Эксклюзивный тип кэша тот, в котором информация на всех уровнях строго разграничена на оригинальную.

Не эксклюзивный кэш – это кэш, в котором информация повторяется на всех уровнях кэша. Трудно сказать, какой тип кэша лучше, и у первого и у второго есть свои достоинства и недостатки. Эксклюзивный тип кэша используется в процессорах AMD, а не эксклюзивный — Intel.

Разъем процессора может быть щелевой и гнездовой. В любом случае его предназначение – это установка центрального процессора. Применение разъема облегчает замену процессора при модернизации и снятие на время ремонта ПК. Разъемы могут предназначаться для установки CPU-карты и самого процессора. Разъемы различают по предназначению для определенных типов процессоров или CPU-карт.

Первое место занимает процессор Intel Core i5. Отличный вариант для мощной игровой машины.

Второе место — Intel Celeron E3200, не смотря на достаточно приличную стоимость. Оптимальный вариант для офисной машины.

Третье место занимает снова intel - на этот раз 4-х ядерный Core 2 Quad.

Четвертое место — процессор AMD Athlon II X2 215 2.7 GHz 1Mb Socket-AM3 OEM. Хороший выбор для дома и офиса, для тех кто хочет сэкономить и не нуждается в супер мощной машине. К тому у этой модели процессора есть много места для разгона.

Пятое место — AMD Phenom II X4 945. Хорошая цена, отличная производительность, большой кэш и 4 ядра на борту.

Если вы готовы заплатить за процессор порядка 1000$, то можете приобрести Intel Сore 2 Extreme. Но такой процессор вряд ли подойдет для широких масс потребителей. Поэтому рассмотрим более доступные варианты.

Если вы простой пользователь ПК, который работает с текстами, смотрит фильмы, прослушивает музыку и работает в Интернете, вам вполне подойдет или Celeron E1200 или младшие Athlon 64 X2. Последний имеет определенные преимущества перед первым и вам его хватит на долгие годы.

Если вы используете свой компьютер для развлечения, периодически играете в игры, то вам нужно посмотреть на процессоры Core 2 Duo. Это самый оптимальный вариант процессора для ваших потребностей.

Если вы относитесь к пользователям, которые используют все возможности компьютера, работаете с аудио, Интернет, видео, большими программами и тяжеловесными играми, вам больше всего подойдет Core 2 Duo E8200. Этот процессор обладает высокой производительностью, невысоким тепловыделением, достаточной возможностью разгона, при этом доступен по цене.

И, наконец, вы бескомпромиссный игрок и ваш ПК должен быть мощным игровым плацдармом? Вам просто необходим или двухядерный или четырехядерный процессор, не меньше.

«Дареному процессору в кулер не дуют.»

Важность процессора для любого персонального компьютера трудно переоценить. Это электронное устройство сравнительно мало по размерам, но потребляет значительный процент энергии, получаемой от блока питания, а его стоимость составляет львиную долю стоимости компьютера. Не случайно многие люди, обычно не очень сведущие в компьютерной терминологии, ассоциируют процессор с самим компьютером. Хотя это, конечно же, ошибочная точка зрения, но причины подобной ассоциации нетрудно понять. Ведь процессор вполне можно уподобить мозгу компьютера, и в таком случае он будет олицетворять суть компьютера, и идентифицировать его точно так же, как мозг человека олицетворяет суть человека и идентифицирует его личность.

Следует сразу оговориться, что в этой статье будет рассказано в основном о центральном процессоре компьютера, так называемом CPU (Central Processing Unit), между тем, как к процессорам относятся и многие вспомогательные чипы, расположенные в компьютере, как, например, процессор видеокарты или звуковой карты. Тем не менее, принципы работы, характерные для CPU, во многом справедливы и для других типов чипов.

Первые процессоры появились на самой заре зарождения компьютерных технологий. А бурное развитие микрокомпьютерной техники во многом являлось следствием появления первых микропроцессоров. Если раньше все необходимые элементы CPU были расположены на различных электронных схемах, то в микропроцессорах они впервые были объединены на одном-единственном кристалле. В дальнейшем под термином «процессор» мы будем иметь в виду именно микропроцессоры, поскольку эти слова давно превратились в синонимы.

Микропроцессор i4004 - прадедушка сегодняшних CPU

Одним из первых микропроцессоров был четырехразрядный процессор фирмы Intel i4004. Он имел смехотворные по нынешним временам характеристики, но для своего времени – начала 1970-x гг., его появление представляло собой настоящий технологический прорыв. Как можно догадаться из его обозначения, он был четырехразрядным и имел тактовую частоту около 0,1 МГц. И именно его прямой потомок, процессор i8088, был выбран фирмой IBM в качестве «мозга» первого персонального компьютера фирмы IBM PC.

Процессор i8088 использовавшийся в первом персональном компьютере фирмы IBM

Шли годы, характеристики CPU становились все более серьезными и внушительными, и, как следствие, становились все более солидными характеристики персональных компьютеров. Значительной вехой в развитии микропроцессоров стал i80386. Это был первый полностью 32-разрядный CPU, который мог адресовать к 4 ГБ оперативной памяти, в то время как большинство его предшественников могло работать максимум с 640 КБ ОЗУ. Подобная разрядность микропроцессоров настольных компьютеров продержалась довольно долго, почти два десятилетия. В середине 80-х объем ОЗУ в 4 ГБ казался фантастически огромным, но сейчас его можно считать небольшим для серьезного компьютера.

i80386 - первый полностью 32-разрядный CPU

Следующий микропроцессор компании Intel, 486DX, замечателен тем, что в нем впервые появился внутренний кэш – внутренняя оперативная память микропроцессора. Кроме того, в нем было применено много других усовершенствований, которые во многом определили дальнейшую эволюцию микропроцессоров. То же самое можно сказать и про следующий процессор компании Intel, Pentium.

Intel 486DX - первый процессор с внутренним кэшем

Процессор компании Intel - Pentium

Вместе с CPU Pentium 4 в ряду технологий, использующихся в микропроцессорах, появилась . А процессоры Opteron от фирмы AMD и Pentium D от Intel открыли современную эпоху эволюции CPU, эпоху процессоров, имеющих несколько ядер. Сейчас на рынке представлено много CPU от различных производителей, но главными производителями до сих пор остаются две компании – Intel и AMD, причем на долю первой приходится более 80% рынка.

CPU Opteron от фирмы AMD и Pentium D от Intel

Устройство CPU

Любой CPU имеет вычислительное ядро (иногда их бывает несколько), а также кэш, то есть собственную оперативную память. Кэш обычно имеет два уровня – первый и второй (внутренний и внешний). Внутренний имеет меньший объем, но обладает большим быстродействием по сравнению с внешним. Емкость кэша второго уровня современных CPU составляет несколько мегабайт – больше, чем оперативная память первых персональных компьютеров!

В ядре CPU находится несколько функциональных блоков – блок управления, блок выборки инструкций, блок вычислений с плавающей точкой, блок целочисленных вычислений, и.т.д. Также в ядре располагаются главные регистры processor-а, в которых находятся обрабатываемые в определенный момент данные. В классической схеме микропроцессора архитектуры х86 этих регистров всего 16.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили две основные разновидности процессоров – CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). В CISC-процессорах мало внутренних регистров, но они поддерживают большой набор команд. В RISC-процессорах регистров много, зато набор команд ограничен. Традиционно микропроцессоры для персональных компьютеров архитектуры Intel х86 принадлежали к классу CISC-процессоров, однако в настоящее время большинство микропроцессоров представляют собой гибрид этих двух архитектур.

Если рассмотреть CPU на аппаратном уровне, то он является, по сути, огромной микросхемой, расположенной на цельном кристалле кремния, в которой содержатся миллионы, а то и миллиарды транзисторов. Чем меньше размеры транзисторов, тем больше их содержится на единицу площади CPU, и тем больше его вычислительная мощность. Кроме того, от размеров транзисторов зависит энерговыделение и энергопотребление процессора - чем меньше их размер, тем эти характеристики процессора меньше. Этот фактор немаловажен, так как CPU является наиболее энергоемким устройством современного ПК. Поэтому проблема уменьшения нагрева процессора входит в число самых важных, стоящих перед разработчиками ПК и самих процессоров.

Отдельно стоит сказать о корпусе, в котором находится CPU. Обычно материалом корпуса процессора служит керамика или пластик. Первоначально процессоры намертво впаивались в системную плату, сейчас же большинство вставляются в специальные гнезда – сокеты. Такой подход заметно упростил модернизацию системы пользователем – достаточно вставить в разъем другой CPU, поддерживаемый данной системной платой, и вы получите более мощный компьютер.

Сокет современного процессора

С другими устройствами процессор связан при помощи специальных каналов связи ­(шин) – шины памяти, шины данных и шины адреса. Разрядность последней очень важна, поскольку от этого параметра зависит объем доступной CPU, а значит, и программам, оперативной памяти.

Принцип работы

Для обработки данных управляющее устройство CPU получает из оперативной памяти или кэша процессора сами данные, а также команды, которые описывают процесс обработки данных. Данные помещаются во внутренние регистры микропроцессора, и над ними производятся операции при помощи арифметико-логического устройства в соответствии с поступившими командами.

Принцип работы процессора

Работу CPU синхронизируют так называемые тактовые сигналы. Наверняка каждому пользователю известно понятие тактовой частоты, которая отражает количество тактов работы процессора за секунду. Это значение во многом определят характеристики процессора. Тем не менее, производительность компьютера далеко не всегда пропорциональна его тактовой частоте. И дело тут не только в наличии у современных CPU нескольких ядер, а и в том, что разные процессоры имеют разную архитектуру и, как следствие, могут выполнять разное количество операций за секунду. Современные CPU могут выполнять несколько операций за один такт, тогда как у первых микропроцессоров на одну операцию, наоборот, могло уходить несколько тактов.

CPU архитектуры х86 исторически поддерживают следующие режимы работы процессора:

1. Реальный
2. Защищенный
3. Виртуальный
4. Режим супервизора

Реальный режим работы был единственным режимом, в котором работали все CPU до i80386. В этом режиме processor мог адресовать лишь 640 КБ ОЗУ. В результате появления защищенного режима процессор получил возможность работать с большими объемами оперативной памяти. Также существует разновидность защищенного режима – виртуальный режим, предназначенный для совместимости со старыми программами, написанными для процессоров 8086.

Режимы работы процессора также включают режим супервизора, который используется при работе в современных операционных системах. В этом режиме программный код имеет неограниченный доступ ко всем системным ресурсам.

Заключение

В этой статье вы в общих чертах познакомились с назначением центрального CPU, его историей, устройством, узнали про режимы работы процессора и ознакомились с принципами его функционирования. Central Processing Unit – это самое сложное и наиболее важное устройство компьютера. Можно смело утверждать, что развитие компьютерной техники во многом взаимосвязано с прогрессом в развитии CPU. От мощности микропроцессора и его особенностей его работы зависит производительность всего компьютера, а также возможности его отдельных компонентов.

– это основной вычислительный компонент, от которого сильно зависит скорость работы всего компьютера. Поэтому, обычно, при подборе конфигурации компьютера, сначала выбирают процессор, а затем уже все остальное.

Для простых задач

Если компьютер будет использоваться для работы с документами и интернета, то вам подойдет недорогой процессор со встроенным видеоядром Pentium G5400/5500/5600 (2 ядра / 4 потока), которые лишь немного отличаются частотой.

Для монтажа видео

Для монтажа видео лучше брать современный многопоточный процессор AMD Ryzen 5/7 (6-8 ядер / 12-16 потоков), который в тандеме с хорошей видеокартой также неплохо справится с играми.
Процессор AMD Ryzen 5 2600

Для среднего игрового компьютера

Для чисто игрового компьютера среднего класса лучше взять Core i3-8100/8300, они имеют честные 4 ядра и хорошо показывают себя в играх с видеокартами среднего класса (GTX 1050/1060/1070).
Процессор Intel Core i3 8100

Для мощного игрового компьютера

Для мощного игрового компьютера лучше взять 6-ядерник Core i5-8400/8500/8600, а для ПК с топовой видеокартой i7-8700 (6 ядер / 12 потоков). Эти процессоры показывает лучшие результаты в играх и способны полностью раскрыть мощные видеокарты (GTX 1080/2080).
Процессор Intel Core i5 8400

В любом случае, чем больше ядер и выше частота процессора, тем лучше. Ориентируйтесь на ваши финансовые возможности.

2. Как устроен процессор

Центральный процессор состоит из печатной платы с кристаллом кремния и различными электронными элементами. Кристалл накрыт специальной металлической крышкой, предотвращающей его повреждение и являющейся теплораспределителем.

С другой стороны платы находятся ножки (или контактные площадки), с помощью которых процессор соединяется с материнской платой.

3. Производители процессоров

Процессоры для компьютеров производят две крупных компании — Intel и AMD на нескольких в мире высокотехнологичных фабриках. Поэтому процессор, независимо от производителя, является самым надежным компонентом компьютера.

Intel является лидером в разработке технологий, использующихся в современных процессорах. AMD частично перенимает их опыт, добавляя что-то свое и проводит более демократичную ценовую политику.

4. Чем отличаются процессоры Intel и AMD

Процессоры Intel и AMD отличаются преимущественно архитектурой (электронной схемотехникой). Некоторые лучше справляются с одними задачами, некоторые с другими.

Процессоры Intel Core в целом имеют более высокую производительность на ядро, благодаря чему опережают процессоры AMD Ryzen в большинстве современных игр и больше подходят для сборки мощных игровых компьютеров.

Процессоры AMD Ryzen в свою очередь выигрывают в многопоточных задачах, таких как монтаж видео, в принципе не сильно уступают Intel Core в играх и прекрасно подойдут для универсального компьютера, используемого как для профессиональных задач, так и для игр.

Справедливости ради стоит заметить, что старые недорогие процессоры AMD серии FX-8xxx, имеющие 8 физических ядер, неплохо справляются с монтажом видео и их можно использовать в качестве бюджетного варианта для этих целей. Но они хуже подходят для игр и устанавливаются на материнские платы с устаревшим сокетом AM3+, что сделает проблематичной замену комплектующих в будущем с целью улучшения или ремонта компьютера. Так что лучше приобрести более современный процессор AMD Ryzen и соответствующую материнскую плату на сокете AM4.

Если ваш бюджет ограничен, но в будущем вы хотите иметь мощный ПК, то можно для начала приобрести недорогую модель, а через 2-3 года поменять процессор на более мощный.

5. Сокет процессора

Socket – это разъем для соединения процессора с материнской платой. Процессорные сокеты маркируются либо по количеству ножек процессора, либо цифро-буквенным обозначением по усмотрению производителя.

Процессорные сокеты постоянно претерпевают изменения и из года в год появляются все новые модификации. Общая рекомендация приобретать процессор с наиболее современным сокетом. Это обеспечит возможность замены как процессора, так и материнской платы в ближайшие несколько лет.

Сокеты процессоров Intel

• Окончательно устаревшие: 478, 775, 1155, 1156, 2011
• Устаревающие: 1150, 2011-3
• Современные: 1151, 1151-v2, 2066

Сокеты процессоров AMD

• Устаревшие: AM1, АМ2, AM3, FM1, FM2
• Устаревающие: AM3+, FM2+
• Современные: AM4, TR4

У процессора и материнской платы сокеты должны быть одинаковыми, иначе процессор просто не установится. На сегодня наиболее актуальными являются процессоры со следующими сокетами.

Intel 1150 — они еще есть в продаже, но в ближайшие несколько лет выйдут из обихода и замена процессора или материнской платы станет проблематичнее. Имеют широкий модельный ряд — от самых недорогих, до довольно мощных.

Intel 1151 — современные процессоры, которые уже не на много дороже, но значительно перспективнее. Имеют широкий модельный ряд — от самых недорогих, до довольно мощных.

Intel 1151-v2 — вторая версия сокета 1151, отличается от предыдущего поддержкой самых современных процессоров 8-го поколения.

Intel 2011-3 — мощные 6/8/10-ядерные процессоры для профессиональных ПК.

Intel 2066 — топовые самые мощные и дорогие 12/16/18-ядерные процессоры для профессиональных ПК.

AMD FM2+ — процессоры с интегрированной графикой для офисных задач и самых простеньких игр. В модельном ряду есть как совсем бюджетные, так и процессоры среднего класса.

AMD AM3+ — устаревающие 4/6/8-ядерные процессоры (FX), старшие версии из которых можно использовать для монтажа видео.

AMD AM4 — современные многопоточные процессоры для профессиональных задач и игр.

AMD TR4 — топовые самые мощные и дорогие 8/12/16-ядерные процессоры для профессиональных ПК.

Рассматривать приобретение компьютера на более старых сокетах нецелесообразно. А вообще я бы рекомендовал ограничить выбор процессорами на сокетах 1151 и AM4, так как они наиболее современные и позволяют собрать достаточно мощный компьютер на любой бюджет.

6. Основные характеристики процессоров

Все процессоры, независимо от производителя, отличаются количеством ядер, потоков, частотой, объемом кэш-памяти, частотой поддерживаемой оперативной памяти, наличием встроенного видеоядра и некоторыми другими параметрами.

6.1. Количество ядер

Количество ядер оказывает наибольшее влияние на производительность процессора. Офисному или мультимедийному компьютеру необходим как минимум 2-ядерный процессор. Если компьютер предполагается использовать для современных игр, то ему нужен процессор минимум с 4 ядрами. Процессор с 6-8 ядрами подойдет для монтажа видео и тяжелых профессиональных приложений. Наиболее мощные процессоры могут иметь 10-18 ядер, но стоят они очень дорого и предназначены для сложных профессиональных задач.

6.2. Количество потоков

Технология гиперпоточности (Hyper-treading) позволяет каждому ядру процессора обрабатывать 2 потока данных, что значительно увеличивает производительность. Многопоточными процессорами являются Intel Core i7,i9, некоторые Core i3 и Pentium (G4560, G46xx), а также большинство AMD Ryzen.

Процессор с 2 ядрами и поддержкой Hyper-treading по производительности близок к 4-ядерному, а с 4 ядрами и Hyper-treading — к 8-ядерному. Например, Core i3-6100 (2 ядра / 4 потока) в два раза мощнее 2-ядерного Pentium без Hyper-treading, но все же несколько слабее честного 4-ядерника Core i5. Но процессоры Core i5 не поддерживают Hyper-treading, поэтому значительно уступают процессорам Core i7 (4 ядра / 8 потоков).

Процессоры Ryzen 5 и 7 имеют 4/6/8 ядер и соответственно 8/12/16 потоков, что делает их королями в таких задачах как монтаж видео. В новом семействе процессоров Ryzen Threadripper есть процессоры до 16 ядер и 32 потоков. Но есть младшие процессоры из серии Ryzen 3, которые не являются многопоточными.

Современные игры также научились использовать многопоточность, так что для мощного игрового ПК желательно брать Core i7 (на 8-12 потоков) или Ryzen (на 8-12 потоков). Также неплохим выбором по соотношению цена/производительность будут новые 6-ядерные процессоры Core-i5.

6.3. Частота процессора

Производительность процессора также сильно зависит от его частоты, на которой работают все ядра процессора.

Простому компьютеру для набора текста и доступа в интернет в принципе хватит процессора с частотой около 2 ГГц. Но есть много процессоров с частотой около 3 ГГц, которые стоят примерно столько же, поэтому экономить здесь нецелесообразно.

Мультимедийному или игровому компьютеру среднего класса подойдет процессор с частотой около 3.5 ГГц.

Для мощного игрового или профессионального компьютера требуется процессор с частотой ближе к 4 ГГц.

В любом случае чем выше частота процессора, тем лучше, а там смотрите по финансовым возможностям.

6.4. Turbo Boost и Turbo Core

У современных процессоров существует понятие базовой частоты, которая указывается в характеристиках просто как частота процессора. Об этой частоте мы и говорили выше.

У процессоров Intel Core i5,i7,i9 есть также понятие максимальной частоты в Turbo Boost. Это технология, которая автоматически увеличивает частоту ядер процессора при высокой нагрузке для увеличения производительности. Чем меньше ядер использует программа или игра, тем больше увеличивается их частота.

Например, у процессора Core i5-2500 базовая частота 3.3 ГГц, а максимальная частота в Turbo Boost 3.7 ГГц. Под нагрузкой, в зависимости от количества используемых ядер, частота будет увеличиваться до следующих значений:

• 4 активных ядра — 3.4 ГГц
• 3 активных ядра — 3.5 ГГц
• 2 активных ядра — 3.6 ГГц
• 1 активное ядро — 3.7 ГГц

У процессоров AMD серий A, FX и Ryzen есть аналогичная технология автоматического разгона процессора, называемая Turbo Core. Например, у процессора FX-8150 базовая частота 3.6 ГГц, а максимальная частота в Turbo Core 4.2 ГГц.

Для того, чтобы технологии Turbo Boost и Turbo Core работали, нужно чтобы процессору хватало питания и он не перегревался. Иначе процессор не будет поднимать частоту ядер. Значит блок питания, материнская плата и кулер должны быть достаточно мощными. Также работе этих технологий не должны препятствовать настройки BIOS материнской платы и настройки электропитания в Windows.

В современных программах и играх используются все ядра процессора и прибавка производительности от технологий Turbo Boost и Turbo Core будет небольшая. Поэтому при выборе процессора лучше ориентироваться на базовую частоту.

6.5. Кэш-память

Кэш-памятью называется внутренняя память процессора, необходимая ему для более быстрого выполнения вычислений. Объем кэш-памяти так же оказывает влияние на производительность процессора, но в гораздо меньшей мере чем количество ядер и частота процессора. В разных программах это влияние может варьироваться в диапазоне 5-15%. Но процессоры с большим объемом кэш-памяти стоят значительно дороже (в 1,5-2 раза). Поэтому такое приобретение не всегда экономически целесообразно.

Кэш-память бывает 4-х уровней:

Кэш 1-го уровня имеет маленький размер и при выборе процессора на него обычно не обращают внимания.

Кэш 2-го уровня является самым главным. В слабых процессорах типичным является наличие 256 килобайт (Кб) кэш-памяти 2-го уровня на ядро. Процессоры, предназначенные для компьютеров средней производительности, имеют 512 Кб кэш-памяти 2-го уровня на ядро. Процессоры для мощных профессиональных и игровых компьютеров должны оснащаться не менее 1 мегабайта (Мб) кэш-памяти 2-го уровня на каждое ядро.

Кэш 3-го уровня имеют не все процессоры. Самые слабые процессоры для офисных задач могут иметь до 2 Мб кэша 3-го уровня, либо вообще его не имеют. Процессоры для современных домашних мультимедийных компьютеров должны иметь 3-4 Мб кэш-памяти 3-го уровня. Мощные процессоры для профессиональных и игровых компьютеров должны иметь 6-8 Мб кэш-памяти 3-го уровня.

Кэш 4-го уровня имеют только некоторые процессоры и если он есть, то это хорошо, но в принципе не обязательно.

Если процессор имеет кэш 3 или 4 уровня, то на размер кэша 2-го уровня можно не обращать внимания.

6.6. Тип и частота поддерживаемой оперативной памяти

Разные процессоры могут поддерживать разные типы и частоту оперативной памяти. Это нужно учитывать в дальнейшем при выборе оперативки.

Устаревающие процессоры могут поддерживать оперативную память DDR3 с максимальной частотой 1333, 1600 или 1866 МГц.

Современные процессоры поддерживают память DDR4 с максимальной частотой 2133, 2400, 2666 МГц или более и часто для совместимости память DDR3L, которая отличается от обычной DDR3 пониженным напряжением с 1.5 до 1.35 В. Такие процессоры смогут работать и с обычной памятью DDR3, если у вас она уже есть, но производители процессоров это не рекомендуют из-за повышенной деградации контроллеров памяти, рассчитанных на DDR4 с еще более низким напряжением 1.2 В. Кроме того, под старую память нужна еще и старая материнка со слотами DDR3. Так что лучший вариант это продать старую память DDR3 и переходить на новую DDR4.

На сегодня самой оптимальной по соотношению цена/производительность является память DDR4 с частотой 2400 МГц, которую поддерживают все современные процессоры. Иногда не на много дороже можно купить память с частотой 2666 МГц. Ну а память на 3000 МГц будет стоить уже значительно дороже. Кроме того, процессоры не всегда стабильно работают с высокочастотной памятью.

Также нужно учитывать какую максимальную частоту памяти поддерживает материнская плата. Но частота памяти оказывает сравнительно небольшое влияние на общую производительность и гнаться за этим особо не стоит.

Часто у пользователей, которые начинают разбираться в компьютерных комплектующих, возникает вопрос относительно наличия в продаже модулей памяти с гораздо более высокой частотой, чем официально поддерживает процессор (2666-3600 МГц). Для работы памяти на такой частоте нужно, чтобы материнская плата имела поддержку технологии XMP (Extreme Memory Profile). XMP автоматически повышает частоту шины, чтобы память работала на более высокой частоте.

6.7. Встроенное видеоядро

Процессор может иметь встроенное видеоядро, что позволяет сэкономить на покупке отдельной видеокарты для офисного или мультимедийного ПК (просмотр видео, простейшие игры). Но для игрового компьютера и монтажа видео нужна отдельная (дискретная) видеокарта.

Чем дороже процессор, тем мощнее встроенное видеоядро. Среди процессоров Intel cамое мощное встроенное видео у Core i7, затем i5, i3, Pentium G и Celeron G.

У процессоров AMD A-серии на сокете FM2+ встроенное видеоядро мощнее, чем у процессоров Intel. Самое мощное у A10, затем A8, A6 и A4.

У процессоров FX на сокете AM3+ нет встроенного видеоядра и на их основе раньше собирали недорогие игровые ПК с дискретной видеокартой среднего класса.

Также нет встроенного видеоядра у большинства процессоров AMD серий Athlon и Phenom, а те у которых оно есть на очень старом сокете AM1.

У процессоров Ryzen с индексом G есть встроенное видеоядро Vega, которое в два раза мощнее, чем видеоядро процессоров прошлого поколения из серий A8, A10.

Если вы не собираетесь покупать дискретную видеокарту, но все-таки хотите время от времени поиграть в нетребовательные игры, то лучше отдать предпочтение процессорам Ryzen G. Но не рассчитывайте, что встроенная графика потянет требовательные современные игры. Максимум на что она способна это онлайн игры и некоторые хорошо оптимизированные игры на низких или средних настройках графики в разрешении HD (1280×720), в некоторых случаях Full HD (1920×1080). Посмотрите тесты нужного вам процессора на Youtube и поймете подходит ли он вам.

7. Другие характеристики процессоров

Также процессоры характеризуются такими параметрами как техпроцесс изготовления, энергопотребление и тепловыделение.

7.1. Техпроцесс изготовления

Техпроцессом называется технология, по которой производятся процессоры. Чем современнее оборудование и технология производства, тем техпроцесс тоньше. От техпроцесса, по которому изготовлен процессор, сильно зависит его энергопотребление и тепловыделение. Чем техпроцесс тоньше, тем процессор будет экономичнее и холоднее.

Современные процессоры изготавливаются по технологическому процессу от 10 до 45 нанометров (нм). Чем меньше это значение, тем лучше. Но в первую очередь ориентируйтесь на энергопотребление и связанное с ним тепловыделение процессора, о чем пойдет речь дальше.

7.2. Энергопотребление процессора

Чем больше количество ядер и частота процессора, тем больше его энергопотребление. Так же энергопотребление сильно зависит от техпроцесса изготовления. Чем техпроцесс тоньше, тем энергопотребление ниже. Главное, что нужно учесть это то, что мощный процессор нельзя устанавливать на слабую материнскую плату и ему потребуется более мощный блок питания.

Современные процессоры потребляют от 25 до 220 Ватт. Этот параметр можно прочесть на их упаковке или на сайте производителя. В параметрах материнской платы так же указывается на какое энергопотребление процессора она рассчитана.

7.3. Тепловыделение процессора

Тепловыделение процессора принято считать равным его максимальному энергопотреблению. Оно так же измеряется в Ваттах и называется температурным пакетом «Thermal Design Power» (TDP). Современные процессоры обладают TDP в диапазоне 25-220 Ватт. Старайтесь выбирать процессор с более низким TDP. Оптимальный диапазон TDP 45-95 Вт.

8. Как узнать характеристики процессоров

Все основные характеристики процессора, такие как количество ядер, частота и объем кэш-памяти обычно указываются в прайсах продавцов.

Все параметры того или иного процессора можно уточнить на официальных сайтах производителей (Intel и AMD):

По номеру модели или серийному номеру очень легко найти все характеристики любого процессора на сайте:

Или просто введите номер модели в поисковой системе Google или Яндекс (например, «Ryzen 7 1800X»).

9. Модели процессоров

Модели процессоров меняются ежегодно, поэтому здесь я не буду их все приводить, а приведу только серии (линейки) процессоров, которые меняются реже и по которым вы легко сможете ориентироваться.

Я рекомендую приобретать процессоры более современных серий, так как они производительнее и поддерживают новые технологии. Номер модели, который идет после названия серии, тем выше, чем больше частота процессора.

9.1. Линейки процессоров Intel

Старые серии:

• Celeron – для офисных задач (2 ядра)
• Pentium – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (2 ядра)

Современные серии:

• Celeron G – для офисных задач (2 ядра)
• Pentium G – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (2 ядра)
• Core i3 – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (2-4 ядра)
• Core i5 – для игровых ПК среднего класса (4-6 ядер)
• Core i7 – для мощных игровых и профессиональных ПК (4-10 ядер)
• Core i9 – для сверхмощных профессиональных ПК (12-18 ядер)

Все процессоры Core i7, i9, некоторые Core i3 и Pentium поддерживают технологию Hyper-threading, что значительно увеличивает производительность.

9.2. Линейки процессоров AMD

Старые серии:

• Sempron – для офисных задач (2 ядра)
• Athlon – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (2 ядра)
• Phenom – для мультимедийных и игровых ПК среднего класса (2-4 ядра)

Устаревающие серии:

• A4, А6 – для офисных задач (2 ядра)
• A8, A10 – для офисных задач и простых игр (4 ядра)
• FX – для монтажа видео и не очень тяжелых игр (4-8 ядер)

Современные серии:

• Ryzen 3 – для мультимедийных и игровых ПК начального класса (4 ядра)
• Ryzen 5 – для монтажа видео и игровых ПК среднего класса (4-6 ядер)
• Ryzen 7 – для мощных игровых и профессиональных ПК (4-8 ядер)
• Ryzen Threadripper – для мощных профессиональных ПК (8-16 ядер)

Процессоры Ryzen 5, 7 и Threadripper являются многопоточными, что при большом количестве ядер делает их отличным выбором для монтажа видео. Кроме того есть модели с индексом «X» в конце маркировки, которые имеют более высокую частоту.

9.3. Перезапуск серий

Стоит так же отметить, что иногда производители делают перезапуск старых серий на новые сокеты. Например, у Intel сейчас это Celeron G и Pentium G со встроенной графикой, у AMD обновленные линейки процессоров Athlon II и Phenom II. Эти процессоры немного уступают своим более современным собратьям в производительности, но значительно выигрывают в цене.

9.4. Ядро и поколение процессоров

Вместе со сменой сокетов обычно меняется и поколение процессоров. Например, на сокете 1150 были процессоры 4-го поколения Core i7-4xxx, на сокете 2011-3 — 5-го поколения Core i7-5xxx. При переходе на сокет 1151 появились процессоры 6-го поколения Core i7-6xxx.

Также бывает, что поколение процессора меняется без смены сокета. Например, на сокете 1151 вышли процессоры 7-го поколения Core i7-7xxx.

Смена поколений вызвана усовершенствованием электронной архитектуры процессора, называемой также ядром. Например, процессоры Core i7-6xxx построены на ядре с кодовым названием Skylake, а пришедшие к ним на смену Core i7-7xxx на ядре Kaby Lake.

Ядра могут иметь различные отличия от довольно весомых, до чисто косметических. Например, Kaby Lake отличается от предыдущего Skylake обновленной встроенной графикой и блокировкой разгона по шине процессоров без индекса K.

Аналогичным образом происходит смена ядер и поколений процессоров AMD. Например, процессоры FX-9xxx пришли на смену процессорам FX-8xxx. Основное их отличие это значительно возросшая частота и как следствие тепловыделение. А вот сокет не поменялся, а остался старый AM3+.

У процессоров AMD FX было множество ядер, последние из которых Zambezi и Vishera, но на смену им пришли новые значительно более совершенные и производительные процессоры Ryzen (ядро Zen) на сокете AM4 и Ryzen (ядро Threadripper) на сокете TR4.

10. Разгон процессора

Процессоры Intel Core с индексом «K» в конце маркировки имеют более высокую базовую частоту и разблокированный множитель. Их легко разгонять (повышать частоту) для увеличения производительности, но потребуется более дорогая материнская плата на чипсете Z-серии.

Все процессоры AMD FX и Ryzen можно разгонять путем изменения множителя, но разгонный потенциал у них поскромнее. Разгон процессоров Ryzen поддерживают материнские платы на чипсетах B350, X370.

В целом возможность разгона делает процессор более перспективным, так как в будущем при небольшой нехватке производительности его можно будет не менять, а просто разогнать.

11. Упаковка и кулер

Процессоры, в конце маркировки которых присутствует слово «BOX», упакованы в качественную коробку и могут продаваться в комплекте с кулером.

Но некоторые более дорогие боксовые процессоры могут не иметь кулера в комплекте.

Если в конце маркировки написано «Tray» или «ОЕМ», это значит, что процессор упакован в маленький пластиковый лоточек и кулера в комплекте нет.

Процессоры начального класса типа Pentium проще и дешевле приобрести в комплекте с кулером. А вот процессор среднего или высокого класса часто выгоднее купить без кулера и отдельно подобрать для него подходящий кулер. По стоимости выйдет примерно столько же, а по охлаждению и уровню шума будет значительно лучше.

12. Настройка фильтров в интернет-магазине

1. Зайдите в раздел «Процессоры» на сайте продавца.
2. Выберете производителя (Intel или AMD).
3. Выберите сокет (1151, AM4).
4. Выберите линейку процессоров (Pentium, i3, i5, i7, Ryzen).
5. Отсортируйте выборку по цене.
6. Просматривайте процессоры, начиная с более дешевых.
7. Покупайте процессор с максимально возможным количеством потоков и частотой, устраивающий вас по цене.

Таким образом, вы получите оптимальный по соотношению цена/производительность процессор, удовлетворяющий вашим требованиям за минимально возможную стоимость.

13. Ссылки

Процессор Intel Core i7 8700
Процессор Intel Core i5 8600K
Процессор Intel Pentium G4600

К выбору центрального процессора для компьютера необходимо подойти с максимальной ответственностью, т.к. от качества, выбранного ЦП напрямую зависит работоспособность многих других компонентов компьютера.

Необходимо соотнести возможности вашего ПК с данными желаемой модели процессора. Если вы решили собрать компьютер самостоятельно, то в первую очередь определитесь именно с процессором и материнской платой. Следует помнить, дабы избежать ненужных трат, что не все материнки поддерживают мощные процессоры.

Современный рынок готов предоставить широкий выбор центральных процессоров – начиная от ЦП, предназначенных для малопроизводительных, полу мобильных аппаратов и заканчивая высокопроизводительными чипами для дата-центров. Вот несколько советов, которые помогут вам сделать правильный выбор:

• Выбирайте производителя, которому доверяете. Сегодня на рынке есть только два поставщика процессоров для домашних ПК – Intel и AMD. Подробнее про преимущества каждого из них расписано ниже.
• Смотрите не только на частоту. Бытует мнение, что частота является главным фактором, отвечающем за производительность, но это не совсем так. На данный параметр также сильно влияет количество ядер, скорость считывания и записывания информации, объём кэш-памяти.
• Перед покупкой процессора узнайте, поддерживает ли его ваша материнская плата.
• Для мощного процессора нужно будет купить систему охлаждения. Чем мощнее ЦП и другие комплектующие, тем требования к этой системе выше.
• Обращайте внимание на то, насколько сильно можно разогнать процессор. Как правило, недорогие процессоры, которые на первый взгляд не отличаются высокими характеристиками, могут быть разогнаны до уровня ЦП премиум-класса.

После покупки процессора, не забудьте нанести на него термопасту – это обязательное требование. Желательно не экономить на этом пункте и купить сразу нормальную пасту, которая прослужит длительное время.

Выбираем производителя

Их всего два – Intel и AMD. Оба производят процессоры для стационарных ПК и лэптопов, однако, между ними есть весьма существенные различия.

Про Intel

Intel поставляет достаточно мощные и надёжные процессоры, но при этом их цена самая высокая на рынке. В производстве используются самые современные технологии, что позволяет сэкономить на системе охлаждения. ЦП от Intel редко перегреваются, поэтому хорошую систему охлаждения требуют только топовые модели. Давайте рассмотрим преимущества процессоров Intel:

• Отличное распределение ресурсов. Производительность в ресурсоёмкой программе выше (при условии, что кроме неё больше не запущена другая программа с аналогичными требованиями к ЦП), т.к. вся мощность процессора переводится именно на неё.
• С некоторыми современными играми продукты Intel работают лучше.
• Улучшено взаимодействие с оперативной памятью, что ускоряет работу всей системы.
• Для владельцев ноутбуков рекомендуется выбирать данного производителя, т.к. его процессоры потребляют меньше энергии, они компактны и не так сильно нагреваются.
• Многие программы оптимизированы для работы с Intel.

• Многозадачность процессоров при работе со сложными программами оставляет желать лучшего.
• Есть «переплата за бренд».
• Если потребуется заменить ЦП на более новый, то велика вероятность того, что придётся поменять ещё какие-нибудь комплектующие в компьютере (например, материнскую карту), т.к. «синие» ЦП могут быть несовместимы с некоторыми старыми комплектующими.
• Относительно небольшие возможности для разгона, по сравнению с конкурентом.

Про AMD

Это ещё один производитель процессоров, который занимает долю на рынке примерно равносильную Intel. В основном, ориентирован на бюджетный и среднебюджетный сегмент, но также производит топовые модели процессоров. Основные преимущества этого производителя:

• Соотношение цены и качества. «Переплачивать за бренд» в случае с AMD не придётся.
• Широкие возможности для апгрейда производительности. Можно разгонять процессор на 20% от первоначальных мощностей, а также настраивать напряжение.
• Продукты от AMD неплохо работают в режиме многозадачности, по сравнению с аналогами от Intel.
• Мультиплатформенные продукты. Процессор AMD без проблем будет работать с любой материнской платой, ОЗУ, видеокартой.

Но у продуктов от данного производителя также есть свои недостатки:

• ЦП от AMD не совсем надёжные, по сравнению с Intel. Чаще встречаются баги, особенно, если процессору уже несколько лет.
• Процессоры от AMD (особенно мощные модели или модели, которые были разогнаны пользователем) сильно нагреваются, поэтому стоит задуматься о покупке хорошей системы охлаждения.
• Если у вас встроенный графический адаптер от Intel, то готовьтесь к проблемам с совместимостью.

Насколько важна частота и количество ядер

Бытует мнение, что чем больше ядер и частоты у процессора, тем лучше и быстрее работает система. Данное утверждение является верным лишь отчасти, т.к. если у вас будет установлен 8-ми ядерный процессор, но в связке с HDD-диском, то быстродействие будет заметно только в требовательных программах (и то не факт).

Для стандартной работы за компьютером и для игр на средних и низких настройках, будет вполне достаточно процессора на 2-4 ядра в связке с . Такая комплектация порадует вас быстродействием в браузерах, в офисных приложениях, при несложной обработке графики и видео. Если в эту комплектацию включить вместо обычного ЦП на 2-4 ядра, мощный 8-ми ядерный агрегат, то идеальная производительность будет достигнута в тяжелых играх даже на ультра-настройках (правда, ещё многое будет зависеть от видеокарты).

Также, если у вас встанет выбор между двумя процессорами с одинаковыми показателями, но разных моделей, то потребуется просмотреть результаты различных тестов. На многие модели современных ЦП их можно без проблем найти на сайте производителя.

Что можно ожидать от ЦП разных ценовых категорий

Ситуация с ценами на данный момент обстоит следующим образом:

• Самые дешёвые процессоры на рынке поставляет только AMD. Они могут неплохо подойти для работы в простых офисных приложениях, сёрфинга в сети и игр типа «Пасьянс». Однако, очень многое в этом случае будет зависеть от комплектации ПК. Например, если у вас мало ОЗУ, слабый HDD и никакой графический адаптер, то на корректную работу системы можно не рассчитывать.
• Процессоры средней ценовой категории. Здесь уже можно видеть достаточно производительные модели от AMD и модели со средней производительностью от Intel. Для первых потребуется в обязательном порядке надёжная система охлаждения, затраты на которую могут нивелировать выгоду от низкой цены. Во втором случае производительность будет ниже, но зато работа процессора будет гораздо стабильнее. Много, опять же, зависит от комплектации ПК или лэптопа.
• Качественные процессоры высокой ценовой категории. В этом случае характеристики продуктов как от AMD, так и от Intel примерно равны.

О системе охлаждения

Некоторые процессоры могут поставляться с системой охлаждения в комплекте, т.н. «Боксовой». Не рекомендуется менять «родную» систему на аналог от другого производителя, пускай даже если та выполняет свою работу лучше. Дело в том, что «боксовые» системы лучше адаптированы под свой процессор и не требуют серьёзной настройки.

Если ядра ЦП стали перегреваться, то лучше установить дополнительную систему охлаждения к уже имеющейся. Это выйдет дешевле, а риск что-либо повредить будет ниже.

Боксовая система охлаждения от Intel значительно хуже, чем от AMD, поэтому рекомендуется проявить особую внимательность к её недостаткам. Клипсы, в основном, делаются из пластмассы, к тому же очень тяжёлой. Это вызывают такую проблему – если процессор вместе с радиатором устанавливаются на дешёвую материнку, то есть риск того, что они её «прогнут», приведя в негодность. Поэтому, если вы всё же отдаёте предпочтение Intel, то выбирайте только качественные материнские платы. Также есть ещё одна проблема – при сильном нагреве (более 100 градусов) клипсы могут просто оплавиться. К счастью, такие температуры для продуктов Intel большая редкость.

«Красные» же сделали более качественную систему охлаждения, с металлическими клипсами. Несмотря на это, система весит меньше своего аналога от Intel. Также конструкция радиаторов позволяет без особых проблем установить их на материнскую плату, при этом соединение с материнкой будет в разы качественнее, что исключит вероятность повредить плату. Но стоит учитывать, что процессоры AMD нагреваются сильнее, поэтому качественные боксовые радиаторы – это необходимость.

Гибридные процессоры со встроенной видеокартой

Обе компании занимаются также выпуском процессоров, где имеется встроенная видеокарта (APU). Правда, производительность последней очень низкая и её достаточно только для выполнения несложных повседневных задач – работы в офисных приложениях, сёрфинг в интернете, просмотр видео и даже на нетребовательные игры. Конечно, на рынке есть топовые APU-процессоры, чьих ресурсов хватает даже для профессиональной работы в графических редакторах, несложной обработки видео и запуска современных игр на минимальных настройках.

Такие ЦП стоят дороже и нагреваются значительно быстрее, по сравнению со своими обычными аналогами. Также нужно учитывать, что в случае со встроенной видеокартой, используется не встроенная видеопамять, а оперативная типа DDR3 или DDR4. Из этого следует, что производительность также напрямую будет зависеть от количества ОЗУ. Но даже, если ваш ПК укомплектован несколькими десятками Гб ОЗУ типа DDR4 (самый быстрый на сегодня тип), встроенная карта вряд ли сможет сравниться по производительности с графическим адаптером даже из средней ценовой категории.

Всё дело в том, что видеопамять (даже если её всего один Гб) намного быстрее ОЗУ, т.к. она заточена на работу с графикой.

Однако, APU-процессор в связке даже с несильно дорогой видеокартой, способен порадовать высокой производительностью в современных играх на низких или средних настройках. Но в этом случае стоит задуматься о системе охлаждения (особенно, если процессор и/или графический адаптер от AMD), т.к. ресурсов встроенных по умолчанию радиаторов может оказаться недостаточно. Лучше провести тестирование работы и потом, опираясь на результаты, решить справляется ли «родная» система охлаждения или нет.

Чьи APU-процессоры лучше? До недавнего времени в этом сегменте лидировали AMD, но в последние пару лет ситуация начинает меняется и по мощностям продукты AMD и Intel из этого сегмента уже практически сравнялись. «Синие» стараются брать надёжностью, но в то же время соотношение цена-производительность немного страдает. От «красных» можно получить производительный APU-процессор за не очень высокую цену, но многие пользователи считают бюджетные APU-чипы от данного производителя ненадёжными.

Интегрированные процессоры

Покупка материнской платы, в которую уже впаян процессор вместе с системой охлаждения, помогает потребителю избавиться от разного рода проблем с совместимостью и сэкономить время, т.к. всё необходимое уже встроено в материнку. К тому же такое решение не бьёт по карману.

Но у него есть свои существенные недостатки:

• Нет никаких возможностей для апгрейда. Процессор, который впаян в материнку, рано или поздно устареет, но чтобы его заменить придётся полностью менять материнскую плату.
• Мощность процессора, который интегрирован в материнскую плату оставляет желать лучшего, поэтому поиграть в современные игры даже на минимальных настройках не получится. Зато такое решение практически не шумит и занимает очень мало места в системном блоке.
• Такие материнки имеют не очень много слотов для оперативной памяти и HDD/SSD дисков.
• При любой незначительной поломке компьютер придётся сдать либо в ремонт, либо (что более вероятно) полностью заменить материнку.

Несколько популярных процессоров

Лучшие бюджетники:

Процессоры средней ценовой категории:

ТОПовые процессоры:

Если вы собираете компьютер с нуля, то лучше изначально купить именно процессор, а потом под него другие важные комплектующие – видеокарту и материнскую плату.