Централният процесор (, буквален превод – „централно обработващо устройство“), наричан още ЦП (CPU), е основна част на електронноизчислителна машина, която декодира и изпълнява инструкциите на програмното осигуряване. Често е наричана само процесор, макар че в много съвременни системи има и други процесори, изпълняващи специализирани функции.
Терминът процесор започва да се използва в началото на 60-те години на 20 век, но макар че формата и устройството на централните процесори са се променили драстично оттогава поради напредъка на микроелектрониката, основните принципи на тяхната работа са същите. Първите процесори са проектирани за отделни големи компютри, но с времето се налага серийното производство на процесори, някои от които предназначени за множество разнообразни задачи.
Тенденцията към стандартизация започва още по времето на процесорите, съставени от дискретни транзистори и бързо се засилва с масовото въвеждане на интегралните схеми. С напредъка в тяхната миниатюризация, централните процесори все по-често се изпълняват като една интегрална схема и се наричат микропроцесори. Те са евтини, серийно произвеждани устройства и днес намират широк кръг приложения, далеч надхвърлящ първоначалното им предназначение в големите машини. Съвременните микропроцесори се използват в различни технически системи – от автомобили до мобилни телефони и детски играчки.
История Ранни компютри
Първите компютри, от типа на ENIAC, са механични, т.е. имат нужда от физическа промяна на свързването на работните компоненти, за да извършват различни действия и изпълняват задачи. Впоследствие те еволюират до електромеханични (използващи релета). Най-ранните устройства, които могат да бъдат наречени процесори, са свързани с концепцията за програмируем компютър, в който вътре в машината се записва последователност от инструкции (компютър със съхранявана компютърна програма). Идеята съществува още в проекта на Джон Преспър Екърт и Джон Мокли за ENIAC, но е изоставена, за да може машината да бъде завършена по-бързо. На 30 юни 1945 година, преди завършването на ENIAC, математикът Джон фон Нойман публикува изследване, озаглавено „Първа чернова на доклад за EDVAC“ („First Draft of a Report on the EDVAC“), в което описва принципите на компютър със съхранявана програма, който трябва да бъде завършен през август 1949 година. EDVAC е проектиран за изпълнението на известен брой различни инструкции, които могат да бъдат съчетавани, така че да образуват полезни програми.
Най-важното нововъведение при EDVAC е, че програмите се съхраняват във високоскоростна памет, вместо да се определят чрез начина на физическо свързване на компонентите на компютъра. По този начин е преодоляно най-тежкото ограничение на ENIAC – значителното време и усилия, необходими за преконфигуриране на компютъра за изпълнение на нова задача. В компютъра на Фон Нойман програмата може да бъде променена само с промяната на съдържанието на паметта на компютъра. Още преди завършването на EDVAC, ENIAC е реконструиран по начин, позволяващ му също да съхранява програми.
Макар че обикновено заслугата за създаването на компютъра със съхранявана програма се приписва Джон фон Нойман, има и други преди него, които са предлагали и прилагали подобни идеи – например Конрад Цузе. Системата Mark I, завършена преди EDVAC, също използва съхранявани програми, но записани на хартиена перфолента, вместо в електронна памет. Основната разлика между EDVAC и Mark I в това, че при Mark I съхранението и обработката на данните и инструкциите е разделено, докато в системата на Фон Нойман, както и в повечето съвременни процесори, те използват една и съща памет.
Като цифрово устройство процесорът е ограничен до определено множество дискретни състояния и има нужда от някакъв вид превключващи елементи, за да разграничава и променя тези състояния. Преди широкото разпространение на транзисторите за тази цел обикновено се използват релета и електронни лампи. Въпреки че тези устройства са значително по-бързи от по-ранните механични превключватели, по различни причини те не са много надеждни. Така например изграждането на правотокови схеми с последователна логика от релета изисква допълнителен хардуер за елиминиране на проблема с контактните скокове. При електронните лампи този проблем не съществува, но те трябва да се нагреят, преди да станат напълно годни за използване, а с времето спират да работят, заради замърсяването на катодите им, което се получава в резултат на нормалния им начин на работа, а при разхерметизиране на лампата бързо се ускорява. При проблем с дадена лампа целият процесор трябва да се диагностицира, за да се локализира и да се подмени повредената лампа.
По изброените причини ранните електронни (лампови) компютри са като цяло по-бързи, но по-ненадеждни от електромеханичните (използващи релета) машини. Ламповите компютри, като EDVAC, работят средно около 8 часа между отделните повреди, докато релейни системи, като Mark I, се повреждат много рядко. В крайна сметка ламповите процесори стават по-широко разпространени, тъй като значително по-голямата скорост се оказва по-важна от проблемите с надеждността.
Повечето от тези ранни синхронни процесори работят с ниска тактова честота, в сравнение със съвременните микроелектронни устройства. През този период обичайните честоти на системния часовник са от 100 kHz до 4 MHz, като основният ограничаващ фактор е скоростта на превключващите устройства.
Дискретни транзистори и интегрални схеми
Устройството на процесорите се усложнява, след като различни нови технологии улесняват създаването на по-малки и по-надеждни електронни устройства. Първото такова изобретение е транзисторът. През 50-те и 60-те години базираните на транзистори процесори вече не разчитат на обемисти, ненадеждни и нетрайни превключващи елементи, като електронните лампи и релетата. Това дава възможност за изграждането на по-сложни и надеждни процесори, съставени от една или повече печатни платки, съдържащи отделни компоненти.
През този период се разпространява един нов метод за производство на голям брой транзистори в ограничено пространство. Интегралната схема позволява множество транзистори да се включат в един общ полупроводников цокъл, наричан чип. Първоначално интегралните схеми се използват само за много прости неспециализирани схеми, например за отделни логически елементи. Процесорите, базирани на такива елементарни интегрални схеми, обикновено се наричат устройства със слаба интеграция (SSI). SSI интегралните схеми, използвани в компютри като Apollo Guidance Computer, обикновено съдържат по няколко десетки транзистори. Изграждането на цял процесор от SSI интегрални схеми изисква хиляди отделни чипове, но все пак отнема много по-малко пространство и има по-нисък разход на енергия от дотогавашните устройства с дискретни транзистори. С напредъка на микроелектрониката, интегралните схеми започват да включват все повече транзистори, намалявайки броя на отделните схеми, необходими за създаване на пълен процесор. Интегралните схеми със средна (MSI) и силна интеграция (LSI) вече имат стотици, а след това и хиляди транзистори. Така първият компютър на DEC с LSI устройство, вариант на модела PDP-11, има процесор с едва четири интегрални схеми.
През 1964 година IBM въвеждат компютърната архитектура System/360, в която за пръв път е въведена идеята за микрокод и стандартизиране на програмите изпълнявани от процесорите. Дотогава повечето електронни компютри, включително такива от един и същ производител, са несъвместими и не могат да изпълняват едни и същи програми. Архитектурата System/360 става толкова популярна, че в продължение на десетилетия доминира на пазара на мейнфрейм компютри.
Базираните на транзистори процесори имат няколко отчетливи предимства пред своите предшественици. Освен подобрената надеждност и по-ниската консумация на енергия, те имат и много по-висока скорост, поради по-краткото време на превключване на транзистора в сравнение с електронната лампа или релето. Благодарение на увеличената надеждност и значително по-високата скорост на превключващите елементи, през 60-те години процесорите достигат тактови честоти от десетки мегахерци. През този период се появяват и първите високоефективни векторни процесори, ранни предшественици на по-късните специализирани суперкомпютри.
Микропроцесори
Появата на микропроцесорите през 70-те години значително променя устройството и приложението на процесорите. След появата на пазара на първия микропроцесор (Intel 4004) през 1970 година и на първия модел, получил широко разпространение (Intel 8080) през 1974 година, тази група процесори измества почти напълно останалите видове. Основните производители на мейнфрейм компютри и миникомпютри започват собствени разработки, за да подобрят дотогавашните си компютърни архитектури, и създават микропроцесори с набори от инструкции, съвместими с използваните в по-старите им системи хардуер и софтуер. В резултат на този процес, съчетан с появата и масовия успех на персоналните компютри, днес понятието „процесор“ се отнася почти изключително до микропроцесорите.
Докато по-старите модели процесори са съставени от отделни компоненти и множество интегрални схеми, разположени върху една или повече печатни платки, микропроцесорите съдържат само една или най-много няколко интегрални схеми. По-малкият общ размер на процесора, представляващ самостоятелен чип, позволява съкращаване на времето за превключване и синхронизирани микропроцесори могат да достигат тактови честоти от десетки мегахерци до няколко гигахерца. С нарастването на възможностите на технологията се конструират все по-малки елементи, а сложността и броят на транзисторите в отделния процесор силно се увеличават. Според закона на Мур технически постижимата плътност на транзисторите в интегралните схеми се удвоява за 18 до 24 месеца.
Въпреки това основните принципи на функциониране остават приблизително същите. Почти всички съвременни процесори могат да бъдат точно описани като машини на Фон Нойман със съхранявана програма. Въпреки че законът на Мур продължава да е в сила, през последните години се поставя въпроса за ограниченията в технологията на интегралните схеми. Крайната минитюаризация на логическите елементи увеличава въздействието на физични явления, като електромиграцията, които могат да попречат на този процес. Това е една от причините да се търсят нови конструкции на процесорите като квантовия компютър както и да се разширяват приложенията на паралелизма и на други методи, разширяващи класическия модел на Фон Нойман.
Общо описание