Процессор - что это.

Вернуться

   
    Все компьютерные устройства, будь то обычный настольный компьютер, мощный интернет сервер или миниатюрный наладонник имеют два обязательных компонента: процессор и память. И даже любая электронно-компьютерная безделушка тоже имеет эти две вещи. О том, как устроена память и, как в ней хранится информация я постараюсь рассказать. А вот о процессоре давайте поговорим.
    Процессор это не ящик, который имеет две кнопки и к задней части которого подсоединяется куча проводов. Процессор это прямоугольная пластинка размером около спичечного коробка с обилием контактных ножек или площадок для его установки и электрического подсоединения.
    Для специалистов мой рассказ покажется детским лепетом, но тем моя статья и отличается от строгого технического описания, что дает возможность разобраться в работе процессора совершенно технически неподготовленным людям.
    Итак, процессор обрабатывает информацию, а в памяти она (информация) хранится. Обычным людям процессор представляется черным ящиком с "волшебными" возможностями. На самом деле все совершенно обыденно. Процессор с большой скоростью, а правильнее сказать с большой частотой просматривает, а лучше сказать считывает наборы электрических сигналов, которые ему создают на его контактах различные электронные устройства. Он, также, сам может формировать наборы этих электрических сигналов на своих ножках (контактах) для передачи их другим устройствам.
    Самое интересное заключается в том, как комбинации этих сигналов выполняют сложные вычисления, показывают изображения на экране или воспроизводят музыкальные композиции.
    Я не обещаю разложить все по полочкам, чтобы вы после статьи сказали: а, процессор, ерунда, проще пареной репы. Все таки процессор, как сердце любого компьютерного устройства остается сложнейшим и гениальнейшим изобретением 20-го века.
    Процессор это устройство, которое работает по программе. То есть все те наборы сигналов, а правильней сказать цифровые данные (смотри материал о битах и байтах) подаются на "вход" процессору и выводятся из него в строгом соответствии с набором определенных правил. Эти наборы правил работы процессора, тоже в цифровом виде, хранятся в памяти компьютера и называются программой.
    Как только мы включаем компьютер и на процессор поступает напряжение питания, он начинает работать в соответствии с предназначенной для него программой. Его работа заключается в последовательном считывании из определенного места памяти числовой информации, которая является либо командой управления работой процессора либо числовыми данными. До выключения питания процессор непрерывно выполняет предназначенный для него этот программный набор команд.
    Вы удивитесь, но количество элементарных команд, которые управляют работой процессора не столь и велико. Группы этих команд я даже вам сейчас перечислю:
 - арифметические операции
 - операции сравнения чисел и выработка реакции на эти сравнения
 - чтение и запись информации из памяти и в память
 - команды, контролирующие состояние определенных проводников и (или) определяющие правила работы с этими состояниями
 - небольшая часть команд очень специального назначения.

Рассмотрим работу процессора в упрощенной и слегка несерьезной форме.
    Допустим, ваш компьютер включен и работает. На экране монитора вы наблюдаете фоновую картинку и некоторое количество ярлычков быстрого запуска программ. Чем же в данный момент занят компьютер и, в частности, процессор ведь, казалось бы, ничто не нарушает его покоя и никто (в смысле человека) им не управляет. На самом деле, даже в такой ситуации, процессор работает в своем обычном режиме только не с полной загрузкой. Чем же он занят?
    Во первых, он формирует изображение рабочего стола в специальной памяти (ее называют видеопамять). Специальная микросхема: видеоконтроллер читает данные из этой памяти и согласно им засвечивает на экране точки разными цветами, ведь изображение на экране состоит из отдельных точек - пикселей. Если какая то программа заставит процессор изменить эту информацию в видеопамяти, то видеоконтроллер послушно выведет эту измененную картинку. В современном компьютере формированием изображения занимается не главный, а специальный видеопроцессор. Главный процессор освободили от этой работы, чтобы он другие, например вычислительные функции, выполнял более эффективно.
    Как же программа может изменить видеопамять? А очень просто! Программа может заставлять процессор записывать в эту память разные числа. А раз числа разные, то и изображение на экране будет разным. А как программа знает, какие числа туда нужно писать? Все это предусматривает программист, когда создает эту самую программу. Мы уже говорили о том что программа это просто набор чисел в памяти компьютера.
    Почему же процессор воспринимает эти цифры, как команды? А это разработчики процессора так постарались. Встретит процессор число из последовательности чисел, расположенных в памяти, и они для него означают, например, что должен он следующее число за прочитанным на единицу увеличить. А третье командует это увеличенное записать в память по адресу, который в следующих числах обозначен.
     Вот процессор "в поте лица" и обрабатывает эти цифровые команды. Он (процессор) даже не подозревает, что в это время показывает детям мультфильм, играет в шахматы с чемпионом мира или контролирует полет ракеты с ядерной боеголовкой.
    Иногда программа может заставить процессор одну и ту же группу команд повторять несколько раз: например итог зарплатной ведомости суммировать.
 - Такая операция циклом называется.
 - А иногда программа может заставить процессор перескочить с обработки одной последовательности команд в памяти на другую. Такая ситуация в работе процессора переходом называется. Переходить куда то или нет сам процессор решает.
    Например, сверяет компьютер оператора сотовой связи ваши расходы на эту самую связь с вашим балансом. И как только остаток денежек нулю равным становится, процессор говорит программе предоставления услуг связи: а поди ко ты программа вместо веточки подсоединения клиента по другой. И пошли ко ты программа клиента, э... нет, клиенту сообщение, что закончились на его счету денежки. Такая ситуация в программе условным переходом называется, а, когда нужно выбирать делать это или то - ветвлением.
     Иногда программа говорит процессору, (при помощи цифровой команды, конечно) что с этого места нужно просто перепрыгнуть в другое. Такой переход безусловным называется.
    Но не только то, что программы командуют процессор выполняет. У него и другие задачи есть. Например, следить за тем: не потребуется ли кому его помощь. А кому она может потребоваться? Да устройствам всяким: клавиатуре или мыши, например. Нажали вы клавишу на клавиатуре, и сразу процессору сигнал посылается. У специалистов этот сигнал прерыванием называется. И в самом деле: устройство говорит процессору: "Да, я понимаю, ты занят важным делом, но все таки прервись, пожалуйста, и сделай то, что я прошу." Этих самых прерываний, то есть сигналов процессору много разных устройств посылает.
    Есть устройства более важные, есть и менее. Приходится их процессору по очереди обрабатывать. Поступил, например, от устройства электропитания сигнал о том, что неполадка возникла. Тут уж дело не до очередей, нужно, как можно быстрее все свои дела заканчивать.
    Или, приходит сигнал прерывания от принтера. Прервался процессор, смотрит: что с принтером случилось? Оказывается, принтер сообщает (в цифровом виде конечно), что у него бумага закончилась. Тогда процессор говорит программе, которая пытается принтер заставить печатать: ты пока принтеру данные на печать не посылай, а скажи своему пользователю об этой проблеме.
    Конечно же все эти переговоры в электронном виде ведутся. И все сообщения это комбинации электрических сигналов. И устройств, с которыми процессор общается очень много. О большинстве из них простой пользователь даже и не догадывается. А рассказать о них простыми словами не получится.
    Еще нужно сказать, что в обычном компьютере этих самых процессорных устройств очень много. Чтобы не путаться, только один из них процессором называют, а остальные, тоже процессоры, только менее мощные или, очень узкие задачи выполняющие,  программируемыми контроллерами.
    Еще главный процессор компьютера называют центральным. Так он и пишется ЦП - центральный процессор в отличии, например о видеопроцессора. Функции видеосистем компьютера за последнее время очень сильно изменились и усложнились. Наверное поэтому тот процессор, который обработкой и выводом видеоинформации занимается уже все реже видеоконтроллером называют, потому, что по объему информации, которую ему приходится обрабатывать, он к процессору центральному стал приближаться.
    А что же наш центральный процессор? Трудится "бедняжка"; сколько на компьютере программ работает? И о каждой процессор знает и каждой с собой поработать дает. Такой режим работы многозадачным, то есть многопрограммным называют. О том чтобы все программы, казалось бы, одновременно работали операционная система заботится. О том, как она это делает - отдельный рассказ.
    Мы уже говорили о том, что процессор обрабатывает все команды с определенной скоростью. Скорость работы процессора частотой определяется и измеряется в герцах (колебаниях в секунду) или в мегагерцах (*10^3) или в гигагерцах (*10^6). Конечно же в процессоре ничего не колеблется. Частота показывает: сколько элементарных операций в секунду может выполнить процессор. Элементарные операции складываются в команды, о которых мы уже говорили. А команды они разные бывают. Некоторые за две элементарных операции можно выполнить, специалисты говорят: за два такта. А для некоторых и больше десятка требуется. Но операции то в одной и той же программе одни и те же. А частота работы процессоров разная. Вот и получается, что тот процессор, который имеет большую рабочую частоту ту же самую работу выполнит быстрее, чем процессор с меньшей частотой.
    Когда собираются ребята и начинают про компьютеры разговаривать, то обязательно будут своими ... частотами процессора хвастать. Хотя для каждого отдельного случая на скорость работы компьютера очень много разных факторов влияет.
    Вот мы немного и разобрались с процессором. Надеюсь вы теперь поняли что в этой коробочке никакого волшебства нет. Все то же самое наше электричество и новейшие информационные технологии.
     Еще раз напомню, что многое в работе процессора я упрощенно описал: современные процессоры, например, напрямую с оборудованием не работают, это за них специальные программы выполняют.  И значит, чтобы с работой процессора досконально разобраться совсем другие книжки придется читать и мозги по-настоящему напрягать, но основной массе вполне достаточно и моей коротенькой, как моя фамилия статеечки.

Другая информатика. (C) Публикация на draginf.ru. При использовании материалов ссылка на сайт обязательна.