Як працює процесор, двигун прогресу
Історія розвитку процесорів почалася після Другої світової війни. У 1946 році був розроблений перший електронний комп'ютер загального призначення ЕНІАК (англ. ENIAC, Electronic Numerical Integrator and Computer - Електронний числовий інтегратор і обчислювач). ENIAC розроблявся для розрахунків артилерійських таблиць, але згодом був перепрофільований для вирішення завдань широкого спектра. Спочатку результати роботи цього комп'ютера перевіряли математики.
Термін CPU, як правило, означає пристрій для виконання програмного забезпечення (комп'ютерної програми). Найбільш ранні пристрої, які по праву можна називати процесорами, були розроблені з появою інформації, що зберігається комп'ютерної програми.
У 1964 році IBM представила свій новий комп'ютер архітектури System / 360. Ця архітектура була використана в серії комп'ютерів, які могли виконувати ті ж програми з різною швидкістю і продуктивністю. Це було значимо для того часу, оскільки більшість комп'ютерів, навіть одного виробника, були несумісні. Щоб вирішити це завдання в IBM використовували поняття прошивки (мікрокод), яка використовується навіть в сучасних процесорах. Процесори з архітектурою System / 360 були настільки популярні, що домінували на ринку ЕОМ протягом багатьох десятиліть.
Комп'ютери на основі транзисторів мали ряд переваг над своїми попередниками. Крім підвищеної надійності і низького енергоспоживання транзистори дозволяли процесору працювати на набагато більших швидкостях через менший часу перемикання транзистора в порівнянні з лампою або реле.
У 1970 роки стався прорив в технології створення процесора. Була створена інтегральна схема на кристалі якої були розташовані основні елементи і блоки процесора. Ця мікросхема відома як мікропроцесор. У 1971 році фірма Intel випустила перший комерційно доступний 4-розрядний мікропроцесор Intel 4004. В наступні кілька років Intel випустили 8-розрядний Intel 8080 і 16-розрядний 8086. Ці процесори заклали основи архітектури мікропроцесорів для сучасних персональних комп'ютерів. Оптимальним матеріалом для виготовлення мікропроцесорів став кремній.
У той час як за останні шістдесят років кардинально змінилися складність, розмір, архітектура і загальний вигляд процесора, слід зазначити, що основні операції практично не змінилися. Майже всі загальні процеси описані архітектурою Неймана, законами Мура і ін. В даний час, як і раніше досліджуються нові методи розрахунку, такі, як квантові обчислення, використання паралельних обчислень і інших методів, які вдосконалять класичну модель фон Неймана.
Наступним кроком є фаза декодування. Центральний процесор отримує програмний код, як інструкції. Значення числової інструкції визначається набором команд процесора. Групи чисел в інструкції називається кодом операції, який вказує які і в якому порядку операції виконувати. Після того як процесор знайшов програму і отримав код він повинен визначити, що саме програма хоче зробити. Є сотні різних типів мов програмування. ЦП повинен бути в змозі розшифрувати тип мови програмування, що використовується в коді, так щоб зрозуміти, що робити з програмою далі. По суті декодування - це переклад команд програми з мови програмування в чисельні значення. У старих моделях процесорів для декодування команд використовувалися апаратні пристрої. Сучасні ЦПУ використовують мікропрограму в якості перекладача для поліпшення зв'язку між мовою програмування, який використовує код і процесора. Основна робота вбудованого полягає в тому, щоб прочитати код і переписати його таким чином, що процесор розумів його.
Третій етап - виконання. Залежно від архітектури процесора, виконання може складатися з однієї дії або послідовності дій. Дуже часто результати записуються у внутрішній регістр процесора для швидкого виконання подальшими інструкціями. Використовуючи отриману і декодувати інформацію процесор може запустити програму. Отриманий від вбудованого перекодованим код операції дозволяє процесору визначити порядок виконання коду, після чого відбувається завантаження всіх компонентів встановлених отриманої командою. Це називається виконанням коду.
Продуктивність комп'ютерів може бути збільшена за допомогою багатоядерних процесорів, які представляють собою з'єднання двох або більше окремих процесорів (ядер) на одній інтегральній схемі. В ідеалі, двоядерний процесор повинен бути в два рази потужніший одноядерного. На практиці приріст продуктивності набагато менше, лише близько 50% через недосконалість алгоритмів і програмної реалізації.
У найближчому майбутньому матеріальна частина процесорів буде змінена. Це неминуче станеться оскільки технологічний процес виробництва процесорів в тому вигляді якими вони відомі на сьогоднішній день досягає фізичних меж. У перспективі є кілька напрямків.
- Оптичні комп'ютери, засновані на оптичних або фотонних обчисленнях. Замість традиційних електричних сигналів (рух електронів) обробці піддаються фотони (потоки світла), вироблені лазерами або світлодіодами. За допомогою фотонів можна значно збільшити пропускну здатність (кількість оброблених сигналів) процесора.
- Квантові комп'ютери засновані на квантовій механіці. Розробка цих обчислювальних пристроїв є одним із пріоритетних завдань сучасної фізики. Повноцінно працює зразок поки не зібраний, розробка пов'язана з безліччю складних експериментів і теоретичних досліджень.
- Молекулярні комп'ютери замість традиційних кремнієвих технологій використовують молекулярну біологію та біохімію. Розробка молекулярних комп'ютерів є швидко розвивається міждисциплінарної областю. В основі лежить можливість програмування молекул на потрібну поведінку.
Схожі записи:
