Центральный процессор(CPU-CentralProcessorUnit).

Процессор-обязательная часть любого компьютера, по какой бы архитектуре он не был построен, какую систему счисления не использовал и для каких бы целей он не применялся. Потому что устройство без процессора уже не компьютер.

рис.1. Первый компьютер с цифровым управлением ZUSE Z3, 1941 г.

Процессоры первых ламповых компьютеров представляли собой не устройство, а вычислительный модуль, состоящий из тысяч ламп. В вычислительных модулях компьютеров второго поколения уже использовались транзисторы(но ещё не микросхемы). Это позволило существенно снизить как себестоимость, так и потребляемую мощность, вероятность отказов(термин "баг" появился от английского bug-жук. Дело в том, что очень часто отказы вызывались тем, что на лампы попадали разные насекомые, которые выводили их из строя, т.к. лампы используют высокое напряжение. Обслуживающим инфенерам приходилось тратить очень много времени на поиск неисправностей), лёгкость в обслуживании и многое другое.

рис.2. Первый в мире программируемый микропроцессор Intel i4004, 1971 год.

А вот в процессорах третьего поколения начали применять интегральные схемы. Первый в мире программируемый микропроцессор- Intel i4004 увидел свет в 1971 году. Он был разработан фирмой Intel по заказу японской корпорации Nippon Calculating Machine. Эта фирма подала заявку на 12 специализированных микросхем для новой версии печатающего калькулятора. В ответ Intel предложил ей набор из четырёх микросхем, одна из корорых была программируемой. Кроме того, они предложили снизить цену в обмен на все права на этот микропроцессор.

рис.3. Процессор Intel i80 286, i80 386, i80 486, Intel Pentium.

Потом появились микропроцессоры 8086(IBM PC XT), 80 286, 80 386(обычно впаивался на плату), 80 486-в версии DX содержал встроенный сопроцессор(устройство для работы с плавающей запятой), 80 586 получил имя Pentium(AMD-K5/K6). Начиная с этой модели, поколения процессоров носят имена. Pentium-процессор пятого поколения. Впервые в процессор был внедрён двухуровневый конвейер, что в принципе делало процессор многозадачным.

рис.4. Двухъядерные процессоры Core 2 Duo.

Далее появлялись Pentium II(AMD K6-2), Pentium !!!(AMD Athlon), Pentium 4(AMD Athlon), и последние процессоры-Core Duo(AMD Athlon 64 x2), которые имеют на борту 2 или 4 ядра. Интересно то, что Core Duo не имеет ножек, в отличие от всех предыдущих процессоров, начиная с 4004. В первых версиях двухъядерных процессоров было два кристалла под одной крышкой, соединённых общей шиной. Однако, вскоре появились и однокристальные процессоры, в одном кристалле которых было два процессора, связанных через кэш-память второго уровня. Интересно отметить, что первые четырёхядерные процессоры имели два двухъядерных кристалла.

Как работает процессор.

Как минимум, процессор должен получать команды, обрабатывать их и выдавать результат. С точки зрения всех остальных устройств всё так и происходит(за исключением прерываний, которые могут останавливать выполнение команд).

В простейшем случае, процессор получает из памяти по определённому адресу команду(и данные, если это необходимо), выполняет её, возвращает результат если необходимо и, если это не команда перехода, переходит на следущий адрес.

Рис. 5. Основные блоки процессора.

Информация для обработки поступает под управлением блока предварительной выборки в кэш данных, а команды-в кэш инструкций. Блок декодировки декодирует команду, преобразуя её в двоичный код и даёт указания Устройству Управления(УУ) и кэшу данных о том, что им следует делать дальше. Арифметическо-логическое устройство(АЛУ) выполняет готовые к исполнению команды и выдаёт результат в блок регистров. Далее результат или передаётся на системную шину, или остаётся для последущей обработки.

В заключение.

Хочется сказать, что существуют не только привычные нам процессоры. Во-первых, есть довольно похожие процессоры, но основанные на RISC-архитектуре. Они, в отличие от обычных(CISC), имеют очень много регистров, но мало команд. В отличие от CISC архитектуры, команды выполняются за один такт. Эти процессоры дороже, но намного быстрее настольных.

Несмотря набольшие успехи компьютерных технологий, многие считают, что наступает закат транзисторной техники. Человечество вплотную подошло в границе, за которую нельзя обычными методами поднять частоту, скоро приблизится граница для уменьшения габаритов транзисторов. Конечно, есть путь увеличения количества ядер, переход с кремния на германий или гермаиево-кремниевые транзисторы, но вряд ли это надолго продлит жизнь компьютерам.

Сейчас многие компании занялись изучением новых принципов для построения вычислительных систем. Например, вместо проводников в кристалле предлагается использовать оптические связи, ведь скорость света намного быстрее скорости распространения электричества, к тому же, затухание сигнала должно быть меньше.

рис.6. Квантовый процессор фирмы D-Wave.

Так же предлагается использовать квантовый компьютер. Идея состоит в том, чтобы для хранения данных использовать ядра атомов. Идея принадлежит Ричарду П. Фейнману из Калифорнийского технологического института, который выдвинул её ещё в начале 80х годов прошлого века. В соответствии с постулатами квантовой механики, кубит(quantum bit) может находиться не в двух, а в трёх состояниях. Если классическое устройство, состоящее из Х ячеек, способно выполнить Х операций, то квантовое, состоящее так же из Х ячеек, два в степени Х!