Цэнтральны працэсар

Цэнтральны працэсар (англ.: Central Processing Unit, CPU) — частка камп’ютарнай сістэмы, якая выконвае інструкцыі праграм, і з’яўляецца асноўным элементам, які выконвае функцыі камп’ютара. Цэнтральны працэсар паслядоўна выконвае кожную інструкцыю праграмы для ажыццяўлення асноўных арыфметычных, лагічных і аперацый ўводу/вываду. Тэрмін выкарыстоўваецца ў камп’ютарнай індустрыі прынамсі з пачатку 1960-х гадоў.^[1] І хаця форма, выгляд і прымяненне працэсараў моцна змянілася з тых часоў, іх асноўныя аперацыі застаюцца такімі ж.

Раннія працэсары спецыяльна распрацоўвалі як частку буйнейшага, часам адзінага ў сваім родзе, камп’ютара. Аднак, гэты дарагі метад праектавання карыстальніцкіх працэсараў для канкрэтнага прымянення ў значнай ступені саступіў месца распрацоўцы працэсараў масавай вытворчасці, якія зроблены для адной або некалькіх мэт. Гэта тэндэнцыя стандартызацыі ў цэлым пачалася ў эпоху дыскрэтных транзістарных мэйнфрэймаў і міні-ЭВМ, і хутка паскорылася з распаўсюджаннем інтэгральных схем. Інтэгральныя схемы далі магчымасць распрацоўваць больш складаныя працэсары, і вырабляць іх з тэхналагічнымі допускамі парадку нанаметраў. Мініяцюрызацыя і стандартызацыя працэсараў павялічылі прысутнасць гэтых лічбавых прылад у сучасным жыцці далёка за межы спецыялізаванага ўжывання выдзеленых вылічальных машын. Сучасныя мікрапрацэсары прысутнічаюць у цэлым шэрагу рэчаў, ад аўтамабіляў да мабільных тэлефонаў і цацак для дзяцей.

Цэнтральны працэсар выконвае інструкцыі з памяці камп’ютара шляхам узаемадзеяння такіх кампанентаў, як набор рэгістраў (рэгістравы файл) і арыфметычна-лагічная адзінка. Лічыльнік каманд — спецыяльны рэгістр, што захоўвае адрас інструкцыі ў памяці, у той час як іншыя рэгістры могуць захоўваць даныя, неабходныя для яе выканання. Колькасць бітаў, змешчаных у рэгістры, адпавядае камп’ютарнаму слову адпаведнай сістэмы^[2].

Прыклады інструкцый, якія можа выконваць працэсар:

• Загрузка: атрыманне даных з памяці і запісванне яе ў рэгістр^[2].
• Захаванне: атрыманне даных з рэгістра і запісванне іх у памяць^[2].
• Аперацыя: перадача даных з рэгістраў у арыфметычна-лагічную адзінку, выкананне адпаведнага арыфметычнага дзеяння, і перадача выніку назад у рэгістры^[2].
• Скачок: перазапіс лічыльніка каманд пэўным значэннем з памяці. Дазваляе змяняць звычайную паслядоўнасць выканання праграмы^[2].

Абстрактны набор інструкцый працэсара і агульны прынцып іх апрацоўкі завецца архітэктурай набору каманд. Асобна выдзяляецца мікраархітэктура — канкрэтны спосаб рэалізацыі працэсара. Працэсары з аднолькавай архітэктурай набору каманд могуць мець розную мікраархітэктуру, што ўплывае на хуткасць выканання праграм^[2].

Загрузка даных з асноўнай памяці ў працэсар займае значна болей часу, чым доступ да даных непасрэдна ў рэгістрах. Каб скараціць час доступу і такім чынам паскорыць выкананне праграм, у працэсары дадаецца кэш — дадатковае сховішча, куды на некаторы час змяшчаюцца даныя, патрэбныя праграме часцей за іншыя. У сваю чаргу кэш працэсара можа быць падзелены на ўзроўні. Напрыклад, найбольш блізкі да працэсара L1-кэш можа ўтрымліваць дзясяткі тысяч байт даных з хуткасцю доступу блізкай да рэгістравага файла. L2-кэш можа ўтрымліваць сотні тысяч ці мільёны байт і злучацца з працэсарам адмысловай шынай, таму доступ да можа займаць ў 5 разоў болей часу чым да L1, але гэта ўсё яшчэ ў 5-10 разоў хутчэй чым доступ да памяці. Часам працэсары маюць таксама L3-кэш. Бліжэйшыя да ядра ўзроўні кэшу загружаюць даныя з далейшых узроўняў, а кэш найдалейшага ўзроўню загружае даныя з памяці^[3].

Эфектыўнае распараджэнне кэшам працэсара дапамагае зберагчы час на паўторны доступ да адных і тых жа даных у памяці^[3].

Кэш працэсара рэалізаваны з дапамогай тэхналогіі статычнай памяці з адвольным доступам (SRAM)^[3].

• Randal E. Bryant, David R. O'Hallaron. Computer Systems: A Programmer's Perspective. — 3rd ed. — 2016. — ISBN 978-1-292-10176-7.