Markaziy protsessor (MP yoki CPU — inglizcha “central processing unit”) — kompyuterning barcha hisoblashlarni amalga oshiradigan va boshqa tizimlarni boshqaradigan asosiy komponenti. Protsessorni ko‘pincha miyaga qiyoslashadi. U ham axborotni qayta ishlash va qaror qabul qilishni biladi, uning ishini tushunish esa juda qiyin. Ammo maqolada bunga urinib ko‘ramiz.

Protsessor nima uchun kerak?

Protsessorning asosiy vazifasi dasturlarni tashkil etuvchi mashina kodini qayta ishlashdir. Dasturlarning o‘zi esa foydalanuvchi tomonidan kompyuterga beriladigan ketma-ket buyruqlardir. Brauzerni ishga tushirish, ichki kalkulyatorda ifodaning natijasini topish va uni matnli hujjatga nusxalash — bu amallarning barchasini kompyuter protsessori bajaradi.

Markaziy protsessor — axborotni qayta ishlaydigan kichik, ammo juda murakkab qurilma

Markaziy protsessorning asosiy vazifalari:

• Buyruqlarni bajarish. Dasturlar mashina buyruqlarini ikkilik kod shaklida protsessorga yuboradi. Protsessor esa ularni talqin qilib, apparat darajasida bajaradi.

• Xotirani boshqarish. MP tezkor xotiraga murojaat qiladi, ma’lumotlarni doimiy xotiraga yozadi yoki axborotni o‘zining kesh xotirasidan oladi.

• Ma’lumotlarni qayta ishlash. Dastur buyruqlari bilan birga qayta ishlash va natijasini qaytarish kerak bo‘lgan ma’lumotlar ham keladi.

• Tizimni boshqarish. CPU qattiq disklar, videokarta, operativ xotira va boshqa tarkibiy qismlarning ishini o‘zaro bog‘laydi.

Protsessor nimadan tashkil topgan?

Protsessorlar qanday ishlab chiqarilishi va unda qanday tarkibiy qismlar qo‘llanishini ko‘rib chiqamiz.

Protsessorlar qanday ishlab chiqiladi?

CPU — milliardlab tranzistorlar kavsharlangan yupqa kremniy plastinkasi. Barcha hisoblashlarni aynan tranzistorlar bajaradi. Protsessor tayyorlash murakkab jarayondir. Agar soddalashtirilsa, bu ishning bosqichlari quyidagicha bo‘ladi:

• Qum (kremniy dioksidi, SiO₂) yuqori soflikdagi polikristall kremniyga aylantiriladi.

• U eritiladi va undan kremniyli sterjen yasaladi.

• Sterjen qalinligi 1 millimetrgacha bo‘lgan ideal silliq plastinalar shaklida kesiladi.

• Litografiya usuli bilan bir necha bosqichda plastinalar yuzasiga milliardlab tranzistorlar joylashtiriladi.

• Plastinalarning har biri mustaqil chip bo‘lgan kristallarga kesib chiqiladi.

• Kristallar issiqlikni chiqarib yuboradigan termointerfeysli korpuslarga joylashtiriladi.

• Olingan protsessorlar testdan o‘tkaziladi, markirovkalanadi va sotuvga chiqariladi.

Bu jarayon oddiy koʻrinsa-da, ammo har bir bosqich ortida yuqori texnologiyali ishlab chiqarish turadi. Masalan, sof kremniy olish uchun kimyoviy tozalash kamida uch bosqichda o‘tkazilishi kerak va bu jarayonda material Selsiy bo‘yicha 1900 darajagacha qizdiriladi.

Tranzistorlar bilan qoplangan kremniy plastina

Litografiya — alohida murakkab bosqich. Hozirgi paytda tranzistorlarning o‘lchami nanometrlarda o‘lchanadi. Bu esa bir metrning milliarddan bir ulushidir. Agar tranzistorlar bilan qoplash jarayonida plastinkaga chang tushsa, butun “kremniy vaflisi” yaroqsiz deb topilishi mumkin. Ustaxonalardagi havo doimiy ravishda filtrlanadi. Ishchilarga atir va kosmetikadan foydalanish taqiqlanadi, faqat maxsus kiyimda ishlash mumkin. Yerdagi tebranishlar litografiyaning aniqligiga ta’sir qilmasligi uchun zavodlarning o‘zi seysmik yostiqlarda turadi.

Protsessorning tuzilishi

Endi biz protsessorlar nimadan va qanday yasalishini bilamiz. Demak, qurilmaning ichki qismiga ham nazar tashlash vaqti keldi. Agar MP skalp qilinsa, termointerfeysning ustki qopqog‘ini ochib, yana bir himoya korpusi ichidagi kristallni ko‘rish mumkin.

Rossiyaning Baikal-S (BE-S1000) protsessorini skalplash jarayoni

Taglikdagi himoya va grafitni tozalab, asta-sekin protsessor bloklari topologiyasiga koʻzimiz tushadi.

Rossiyaning Baikal-S (BE-S1000) protsessorini skalplash jarayoni

Barcha himoya qatlamlarini butunlay olib tashlab, mana bunday go‘zallikni ko‘rishimiz mumkin. Yarim o‘tkazgichlar bilan qoplangan CPU kristalli aynan mana shu.

Rossiyaning Baikal-S (BE-S1000) protsessorining himoya qatlamidan tozalangan kristalli

Baikal-S bilan bir yilda, ya’ni 2022-yilda ishlab chiqarilgan Intel Core i5-12400F protsessorining kimyoviy usulda tozalangan kristalli esa mana bunday ko‘rinishga ega.

Alder Lake arxitekturasi va oltita yuqori samarador yadroga ega Intel Core i5-12400F protsessorining kimyoviy usulda tozalangan kristalli

Kristall ichida nima bor?

Protsessor kristallida uchta asosiy qism: yadro, xotira qurilmasi va shinalarni ajratib ko‘rsatish mumkin.

MP yadrosi asosiy ishlar, jumladan, ko‘rsatmalarni o‘qish, deshifrovka qilish, bajarish va jo‘natish ishlarini bajaradi. U arifmetik-mantiqiy qurilma (AMQ), boshqaruv qurilmasi (BQ) va hisoblashlarni amalga oshiradigan ko‘plab bloklardan tashkil topgan. AMQ asosiy matematik va mantiqiy amallarni bajaradi. BQ esa elektr signallari yordamida protsessor ishini boshqaradi. Bu qurilmalarning barchasi sikllar bilan bog‘langan ko‘plab bloklardan iborat.

400 ming yadroli Cerebras Wafer Scale Engine superprotsessori

Xotira qurilmasi protsessorning registrlar va kesh xotiralardan tashkil topgan kichik ichki xotirasidir. Registrlar joriy buyruqlar, ma’lumotlar va oraliq amallarning natijalarini saqlaydi. Kesh xotira esa operativ xotiradan tez-tez ishlatiladigan buyruqlar va ma’lumotlarni yuklab oladi.

Shinalar — CPU, operativ xotira va boshqa qurilmalar o‘rtasida ma’lumot uzatuvchi kanallar. Ular ma’lumotlarni tashuvchi relslar kabi ishlaydi va kompyuter qismlari orasida axborot almashinuvini ta’minlaydi.

Protsessorning asosiy xarakteristikalari

Protsessorning ish unumdorligi ikkita asosiy parametr — takt chastotasi va razryadi bilan belgilanadi.

Takt chastotasi — protsessor bir sekundda nechta amal bajara olishi ko‘rsatkichidir. Gigagersda (GHz) o‘lchanadi. Masalan, takt chastotasi 3 GHz bo‘lsa, u sekundiga 3 milliardgacha amalni bajara oladi. Chastota qanchalik yuqori bo‘lsa, protsessor vazifalarni shunchalik tez bajaradi. CPUʼga haddan tashqari yuklama berilganda uskuna qizib ketmasligi uchun takt chastotasining majburiy pasaytirilishi trottlingni keltirib chiqarishi mumkin.

Razryadi — ma’lumotlarning ish hajmi ko‘rsatkichi. Masalan, agar protsessor razryadi 32 bit bo‘lsa, u bir taktda 32 bit ma’lumotni qayta ishlashi mumkin. Zamonaviy kompyuterlarda koʻpincha 64 bitli CPU qo‘llanadi. Ular tezroq va katta hajmdagi ma’lumotlarni samaraliroq qayta ishlaydi.

Bundan tashqari, protsessorning xarakteristikalari quyidagi parametrlar bilan ham belgilanadi:

Kesh xotira — protsessor tez-tez foydalanadigan ma’lumot va buyruqlarni saqlaydigan tezkor xotira. Uning L1, L2 va L3 kabi turli darajalari uchraydi. Kesh xotira qanchalik katta bo‘lsa, MP ma’lumotlarni shunchalik tez oladi.

Protsessor arxitekturasi uning ichki strukturasi va buyruqlar to‘plamini belgilaydi. Zamonaviy CPUʼlar quyidagi arxitekturadan foydalanadi:

• CISC (complex instruction set computer — “buyruqlarning to‘liq to‘plamiga ega kompyuter”) murakkab va ko‘p funksiyali buyruqlardan foydalanadigan arxitektura. CISC arxitekturasiga ega protsessorlar murakkab buyruqlarni bir necha taktda bajarishi mumkinligi sababli ularni ixchamroq buyruqlarga ajratmasa ham boʻladi.

• RISC (reduced instruction set computer — “qisqartirilgan buyruqlar to‘plamiga ega kompyuter”) — minimal oddiy buyruqlar to‘plamiga ega arxitektura. Buyruqlarning hajmi bir taktda bajariladigan tarzda tanlanadi. Odatda RISC arxitekturasi kam quvvat sarflaydigan qurilmalarda foydalaniladi.

• VLIW (very long instruction word — “juda uzun mashina buyrug‘i”) — uzun buyruqqa birlashtirilgan bir nechta amallar bir taktda bajariladigan arxitektura.

• MISC (minimal instruction set computer — “minimal buyruqlar to‘plamiga ega kompyuter”) — minimal oddiy buyruqlar to‘plamiga ega arxitektura. Bunday protsessorlar ko‘pincha IoT qurilmalarda qo‘llanadi.

Bu arxitekturalarning barchasi Neyman turiga mansub bo‘lib, ularda dastur va ma’lumotlar operativ xotirada saqlanadi, MP esa ularni navbatma-navbat yuklaydi. Bundan tashqari, Garvard arxitekturasi ham mavjud. Unda dasturiy kod va ma’lumotlar turli xil xotiralarda saqlanadi. Bu arxitektura ko‘pincha o‘rnatiladigan tizimlar: maishiy texnika, signalizatsiya tizimlari va tibbiy jihozlarda ishlatiladi.

Energiya sarfi — protsessor o‘z ishida foydalanadigan elektr energiyasi miqdori. U vattlarda (W) o‘lchanadi. Yuklamalar ta’sirida energiya sarfi ortishi mumkin.

Issiqlik ajralishi — protsessor ishlayotganda ajralib chiqadigan issiqlik miqdori. Bu energiya sarfi va MPning boshqa xususiyatlariga bog‘liq. Sovutish tizimi va kompyuter korpusini tanlashda issiqlik ajralishini hisobga olish muhim ahamiyatga ega.

Protsessorning ishlash tartibi

Agar jarayonlarning muhandislik qismiga teran kirmasak, CPUʼning ishlash sikli quyidagicha:

1-qadam. Ko‘rsatmalarni tanlash bloki uzilishlar mavjudligini tekshiradi. Bu, masalan, klaviatura yoki tarmoq kartasidan ma’lumotlar keladigan bo‘lsa, joriy vazifani bajarishni to‘xtatish kerakmi yoki yo‘qligini tushunish uchun kerak. Agar uzilish mavjud bo‘lsa, registr va buyruqlar hisoblagichining ma’lumotlari stekka joylashtiriladi. Buyruqlar hisoblagichiga esa uzilishlarni qayta ishlash dasturining manzili kiritiladi. Uzilishlarni qayta ishlash funksiyasi tugagandan so‘ng stekdagi ma’lumotlar tiklanadi.

2-qadam. So‘ngra protsessor navbatdagi qaysi buyruqni bajarish kerakligini aniqlashi kerak. Buning uchun buyruqlar hisoblagichidagi ko‘rsatmalarni tanlash bloki bajarilishi mo‘ljallangan buyruq manzilini o‘qiydi. Kesh yoki operativ xotiradagi shu manzil uchun berilgan ko‘rsatma o‘qiladi. Olingan ma’lumotlar dekodlash blokiga uzatiladi.

3-qadam. Endi MP navbatda qaysi buyruqni bajarish kerakligini biladi, lekin dastlab uni dekodlash kerak. Buning uchun buyruqlarni dekodlash bloki buyruqni dekodlaydi. Agar bu o‘tish buyrug‘i bo‘lsa, buyruqlar hisoblagichiga o‘tish manzili yoziladi va boshqaruv ko‘rsatmalarni tanlash blokiga o‘tkazadi (1-band). Aks holda buyruqlar hisoblagichining ko‘rsatkichi buyruq o‘lchami qadar ortadi (buyruq uzunligi 32 bit bo‘lgan protsessor uchun — 4 ga) va boshqaruvni ma’lumotlar tanlovi blokiga o‘tkazadi.

4-qadam. Buyruqni bajarish uchun ma’lumotlar zarur bo‘lgani sabab ma’lumotlarni tanlash bloki ularni kesh yoki tezkor xotiradan o‘qib oladi va boshqaruvni rejalashtiruvchiga o‘tkazadi.

5-qadam. Joriy vazifani qayta ishlash uchun boshqaruv bloki ko‘rsatmalarni bajarishini blokini belgilab, boshqaruvni shu blokka uzatadi.

6-qadam. Ko‘rsatmalarni bajarish bloklari buyruqni bajarib, boshqaruvni natijalarni saqlash blokiga uzatadi.

7-qadam. Natijalarni saqlash bloki ularni operativ xotiraga kiritadi va boshqaruvni ko‘rsatmalarni tanlash blokiga uzatadi (1-band).

Yuqorida tavsiflangan sikl jarayon deb ataladi. U doira bo‘ylab takrorlanadi, bir sikldan ikkinchisiga o‘tish tezligi esa takt chastotasi bilan belgilanadi.

Protsessorning ish sikli

Protsessor turlari

Gadjetlarda eng ko‘p qo‘llanadigan protsessorlarning keng tarqalgan turlarini ko‘rib chiqamiz.

Universal protsessorlar — turli xil hisoblash vazifalarini bajarish, xotira va periferiya qurilmalarining ishlarini boshqarishga mo‘ljallangan eng keng tarqalgan turi. Ular aksariyat kompyuter va ish stansiyalarida qo‘llanadi.

Server protsessorlari — ko‘p sonli yadro va oqimlarga ega MPlar. Bu katta resurslarni talab qiladigan vazifalar va katta ma’lumotlar bazalarini qayta ishlashda yuqori unumdorlikni ta’minlaydi. Server uskunalarida foydalaniladi.

Mobil protsessorlar — smartfon, planshet va boshqa mobil qurilmalar uchun energiya tejamkor protsessorlar. Ular ixchamligi va kam energiya sarfi bilan ajralib turadi.

O‘rnatiladigan protsessorlar — to‘g‘ridan to‘g‘ri televizor, maishiy texnika va avtomobillar kabi qurilmalarga o‘rnatiladigan MP. Ular tor doiradagi vazifalarni bajarishga mo‘ljallangan.

Protsessorlar bajaradigan vazifalari turiga ko‘ra quyidagilarga bo‘linadi:

• Grafik protsessorlar (GPU) murakkab grafika, uch o‘lchovli tasvirlar va ko‘p miqdordagi oqimlarni qayta ishlashga mo‘ljallangan. Bu ularni o‘yin va grafik dasturlar uchun eng maqbul yechimga aylantiradi.

• Markaziy protsessorlar (CPU) barcha asosiy hisoblash amallarini bajarish, kompyuterning boshqa qurilma va tizimlari ishini nazorat qilish hamda muvofiqlashtirish, shuningdek, xotiradagi ma’lumotlarni qayta ishlash va ularni ortga qayta yuborish yoki chiqarish qurilmasiga jo‘natishga mo‘ljallangan.

Bosh plataga o‘rnatish turiga ko‘ra protsessorlar quyidagilarga bo‘linadi:

• Kavsharlangan — ularni kavsharlagichsiz platadan yechib olib bo‘lmaydi. Agar bunday protsessorni almashtirish zarurati tugʻilsa, ancha ovora boʻlishga to‘g‘ri keladi.

• Ulanuvchi — maxsus ulagich soketga o‘rnatiladi. Bunday protsessorlarni maxsus uskunalarsiz ham tezda almashtirish mumkin.

“Elbrus-8S” protsessori kavsharlangan bosh plata

Yodda tutish lozim bo‘lgan ma’lumot

• Protsessor — kompyuter va boshqa gadjetlarning barcha muhim hisoblashlarni bajarish hamda boshqa tizimlarni o‘zaro bog‘lashga mas’ul boʻlgan asosiy qismi.

• MPning takt chastotasi u bir sekundda nechta amal bajara olishini anglatadi.

• Zamonaviy kompyuterlarda odatda 64 bitli protsessorlardan foydalaniladi. Demak, ular bir taktda 64 bit ma’lumotni qayta ishlay oladi.

• CPU kremniy plastinalaridan tayyorlanadi va tranzistorlar ularga litografiya yordamida mahkamlanadi. Bu juda murakkab va qimmat ishlab chiqarish jarayoni.

• Bajaradigan vazifalari turiga ko‘ra grafik va markaziy protsessorlarga bo‘linadi. Birinchisi grafikani qayta ishlashga mas’ul bo‘lsa, ikkinchisi barcha asosiy hisoblash amallarini bajaradi.

Manba: Что такое процессор и как он работает