▷ Časti procesora zvonka a zvnútra: základné pojmy?

Všetci určite zhruba vieme, čo je procesor, ale skutočne vieme, čo sú súčasti procesora ? Každý z hlavných, ktorý je potrebný na to, aby tento malý štvorec kremíka bol schopný spracovať veľké množstvo informácií, bol schopný presunúť ľudstvo do éry, kde by bez elektronických systémov bol úplným debaklom.

Spracovatelia sú už súčasťou nášho každodenného života, najmä ľudí, ktorí sa narodili za posledných 20 rokov. Mnohí sa rozvinuli úplne zmiešaní s technológiou, nehovoriac o tých najmenších, ktorí si pod pažu privádzajú Smartfón namiesto bochníka… Vo všetkých týchto zariadeniach existuje spoločný prvok nazývaný procesor, ktorý je zodpovedný za poskytovanie „inteligencie“ stroje okolo nás. Keby tento prvok neexistoval, ani počítače, mobily, roboty a montážne linky, skrátka všetci, mali by prácu… ale bolo by nemožné dostať sa tam, kde sme ich vyrobili, stále neexistuje svet ako „Matrix“, ale všetko pôjde.

Index obsahu

Čo je procesor a prečo je taký dôležitý

Najskôr si musíme uvedomiť, že procesor má vo vnútri nielen počítač. Všetky elektronické zariadenia, všetky, majú v sebe prvok, ktorý funguje ako procesor, či už ide o digitálne hodiny, programovateľný automat alebo smartfón.

Musíme si však, samozrejme, uvedomiť, že v závislosti od ich schopností a od toho, na čo sa vyrábajú, môžu byť procesory viac-menej zložité, od jednoduchého vykonania postupnosti binárnych kódov po rozsvietenie LED panela, až po spracovanie obrovského množstva informácie vrátane ich poučenia (strojové učenie a umelá inteligencia).

CPU alebo centrálna procesorová jednotka v španielčine je elektronický obvod schopný vykonávať úlohy a pokyny obsiahnuté v programe. Tieto pokyny sú výrazne zjednodušené a znižujú sa na základné aritmetické výpočty (sčítanie, odčítanie, násobenie a delenie), logické operácie (A, ALEBO, NIE, NOR, NAND) a riadenie vstupu / výstupu (I / O). zariadení.

Procesor je potom prvkom zodpovedným za vykonávanie všetkých operácií, ktoré tvoria pokyny programu. Ak sa postavíme do pohľadu stroja, tieto operácie sa zredukujú na jednoduché reťazce núl a jedných, ktoré sa nazývajú bity, a ktoré predstavujú súčasné / neobvyklé stavy, čím vytvárajú binárne logické štruktúry, ktoré dokáže dokonca aj ľudská bytosť. porozumieť a naprogramovať strojový kód, zostavovateľ alebo prostredníctvom programovacieho jazyka vyššej úrovne.

Tranzistory, vinníci všetkého

Procesory by neexistovali, aspoň také malé, ak by neboli pre tranzistory. Sú takpovediac základnou jednotkou akéhokoľvek procesora a integrovaného obvodu. Je to polovodičové zariadenie, ktoré uzatvára alebo otvára elektrický obvod alebo zosilňuje signál. Týmto spôsobom môžeme vytvoriť tie a nuly, binárny jazyk, ktorému CPU rozumie.

Tieto tranzistory začínali ako vákuové ventily, veľké zariadenia podobné žiarovkám, ktoré sú schopné vykonávať vlastné komutácie tranzistora, ale s mechanickými prvkami vo vákuu. Počítače ako ENIAC alebo EDVAC mali vo vnútri vákuové ventily namiesto tranzistorov a boli nesmierne veľké a prakticky spotrebovávali energiu malého mesta. Tieto stroje boli prvé s architektúrou von Neumanna.

Ale v 50. až 60. rokoch 20. storočia sa začali vyrábať prvé tranzistorové procesory - v skutočnosti to bolo IBM v roku 1958, keď s IBM 7090 vytvoril svoj prvý polovodičový tranzistorový počítač. Odvtedy bol vývoj veľkolepý, výrobcovia ako Intel a neskôr AMD začali vďaka procesorom Intel 8086 vytvárať prvé procesory pre stolové počítače a implementovať revolučnú architektúru x86. V skutočnosti ešte dnes sú naše stolové procesory založené na tejto architektúre, neskôr uvidíme časti procesora x86.

Potom sa architektúra stávala čoraz zložitejšou, s menšími čipmi a tiež s prvým zavedením viacerých jadier dovnútra a potom s jadrom špeciálne zameraným na grafické spracovanie. Do týchto malých čipov boli zavedené dokonca ultrarýchle pamäťové banky nazývané vyrovnávacia pamäť a prepojovacia zbernica s hlavnou pamäťou RAM.

Vonkajšie časti procesora

Po tomto krátkom preskúmaní histórie procesorov až do dnešných dní uvidíme, aké vonkajšie prvky má aktuálny procesor. Hovoríme o fyzických prvkoch, ktoré sa môžu dotknúť a ktoré sú z pohľadu používateľa. Pomôže nám to lepšie porozumieť fyzickým potrebám a potrebám pripojenia procesora.

zásuvka

Zásuvka alebo soket CPU je elektromechanický systém pevne nainštalovaný na základnej doske, ktorý je zodpovedný za prepojenie procesora s ostatnými prvkami na doske a počítačom. Na trhu existuje niekoľko základných typov zásuviek a tiež s mnohými rôznymi konfiguráciami. Vo vašom mene alebo mene sú tri prvky, vďaka ktorým pochopíme, o ktorom z nich hovoríme:

Výrobca môže byť Intel alebo AMD v prípade osobných počítačov, čo je ľahké pochopiť. Pokiaľ ide o typ pripojenia, máme tri rôzne typy:

• LGA: (pole kontaktov mriežky) znamená, že kontaktné kolíky sú nainštalované v samotnej zásuvke, zatiaľ čo CPU má iba ploché pole kontaktov. PGA: (mriežkové pole kolíkov), je to práve opak oproti predchádzajúcemu, je to procesor, ktorý má kolíky a soket otvory, aby ich vložili. BGA: (guľové mriežkové pole), v tomto prípade je procesor priamo spájkovaný na základnú dosku.

Pokiaľ ide o posledné číslo, identifikuje typ distribúcie alebo počet pripájacích pinov, ktoré má CPU so soketom. V Intel i AMD je ich obrovské množstvo.

substrát

Substrátom je v podstate PCB, kde je nainštalovaný kremíkový čip, ktorý obsahuje elektronický obvod jadier, nazývaný DIE. Dnešné procesory môžu mať nainštalované viac ako jeden z týchto prvkov.

Ale tiež táto malá PCB obsahuje celú maticu spojovacích kolíkov so zásuvkou na základnej doske, takmer vždy pozlátených na zlepšenie prenosu elektriny a s ochranou proti preťaženiu a prepätiu vo forme kondenzátorov.

DIE

DIE je presne štvorec alebo čip, ktorý obsahuje všetky integrované obvody a vnútorné komponenty procesora. Vizuálne je videný ako malý čierny prvok vystupujúci zo substrátu a dotýkajúci sa prvku rozptyľujúceho teplo.

Pretože celý systém spracovania je vo vnútri, DIE dosahuje neuveriteľne vysoké teploty, takže musí byť chránený inými prvkami.

IHS

Nazýva sa tiež DTS alebo integrovaný tepelný difúzor a jeho funkciou je zachytiť všetky teploty jadier procesora a preniesť ich na chladič, ktorý tento prvok nainštaloval. Je vyrobený z medi alebo hliníka.

Tento prvok je fólia alebo zapuzdrenie, ktoré chráni DIE z vonkajšej strany a môže s ním byť v priamom kontakte pomocou tepelnej pasty alebo priamo zvárané. Vo vlastnom hracom zariadení používatelia odstránia tento IHS a umiestňujú chladiče priamo do kontaktu s DIE pomocou tepelnej pasty v tekutej kovovej zmesi. Tento proces sa nazýva Delidding a jeho účelom je podstatne zlepšiť teploty procesora.

chladič

Posledný prvok, ktorý je zodpovedný za zachytenie čo najväčšieho množstva tepla a jeho prenos do atmosféry. Sú to malé alebo veľké bloky vyrobené z hliníka a medi, ktoré sú vybavené ventilátormi, ktoré pomáhajú ochladzovať celý povrch pomocou núteného prúdenia vzduchu cez rebrá.

Každý počítačový procesor potrebuje chladič, aby fungoval a udržoval teploty pod kontrolou.

Toto sú externe časti procesora, teraz uvidíme najtechnickejšiu časť, jej vnútorné komponenty.

Von Neumannova architektúra

Dnešné počítače sú založené na architektúre von Neumanna, ktorý bol matematikom zodpovedný za odovzdanie života v roku 1945 prvým počítačom v histórii, viete, ENIAC a jeho ďalším veľkým priateľom. Táto architektúra je v podstate spôsob, akým sú prvky alebo súčasti počítača distribuované tak, aby bolo možné jeho fungovanie. Pozostáva zo štyroch základných častí:

• Programová a dátová pamäť: je to prvok, v ktorom sú uložené pokyny, ktoré sa majú vykonať v procesore. Skladá sa z úložných jednotiek alebo pevných diskov, RAM s nezávislým prístupom a programov, ktoré obsahujú samotné pokyny. Centrálna procesorová jednotka alebo procesor: je to procesor, jednotka, ktorá riadi a spracováva všetky informácie, ktoré pochádzajú z hlavnej pamäte a vstupných zariadení. Vstupná a výstupná jednotka: umožňuje komunikáciu s periférnymi zariadeniami a komponentmi, ktoré sú pripojené k centrálnej jednotke. Fyzicky by sme ich mohli identifikovať ako sloty a porty našej základnej dosky. Dátové zbernice: sú stopy, stopy alebo káble, ktoré fyzicky spájajú prvky. V CPU sa delia na riadiacu zbernicu, dátovú zbernicu a adresovú zbernicu.

Viacjadrové procesory

Než začneme uvádzať interné komponenty procesora, je veľmi dôležité vedieť, aké sú jadrá procesora a aké sú v ňom funkcie.

Jadrom procesora je integrovaný obvod, ktorý je zodpovedný za vykonávanie potrebných výpočtov s informáciami, ktoré ním prechádzajú. Každý procesor pracuje na určitej frekvencii, meranej v MHz, čo naznačuje počet operácií, ktoré je schopný vykonať. Súčasné procesory majú nielen jadro, ale aj niekoľko z nich, všetky s rovnakými vnútornými komponentmi a schopné vykonávať a riešiť inštrukcie súčasne v každom hodinovom cykle.

Ak teda procesor jadra môže vykonať jednu inštrukciu v každom cykle, ak mal 6, mohol by vykonať 6 týchto inštrukcií v tom istom cykle. Toto je dramatická aktualizácia výkonu a presne to robia dnešné procesory. Máme však nielen jadrá, ale aj spracované vlákna, ktoré sú ako druh logických jadier, cez ktoré cirkulujú vlákna programu.

Navštívte náš článok na tému: Aké sú vlákna procesora? Rozdiely s jadrom, aby ste sa o tejto téme dozvedeli viac.

Vnútorné časti procesora (x86)

Existuje veľa rôznych architektúr a konfigurácií mikroprocesorov, ale tá, ktorá nás zaujíma, je tá, ktorá je vo vnútri našich počítačov, a toto je nepochybne tá, ktorá dostane názov x86. Videli sme to priamo fyzicky alebo schematicky, aby to bolo trochu jasnejšie, vieme, že všetko je v rámci DIE.

Musíme mať na pamäti, že v každej z jadier procesorov budú prítomné riadiaca jednotka, aritmeticko-logická jednotka, registre a FPU.

Pozrime sa najprv na hlavné vnútorné komponenty:

Riadiaca jednotka

V angličtine s názvom Conrol Unit alebo CU má na starosti riadenie prevádzky procesora. Robí to tak, že vydáva príkazy vo forme riadiacich signálov do pamäte RAM, aritmeticko-logickej jednotky a vstupných a výstupných zariadení, aby vedeli, ako spravovať informácie a pokyny, ktoré sa odosielajú do procesora. Napríklad zhromažďujú údaje, vykonávajú výpočty a ukladajú výsledky.

Táto jednotka zaisťuje, že ostatné komponenty pracujú v synchronizácii pomocou signálov hodín a časovania. Prakticky všetci spracovatelia majú túto jednotku vo vnútri, ale povedzme, že je mimo toho, čo je jadrom samotného spracovania. Na druhej strane v rámci toho môžeme rozlíšiť nasledujúce časti:

• Hodiny (CLK): je zodpovedný za generovanie štvorcového signálu, ktorý synchronizuje vnútorné komponenty. Existujú ďalšie hodiny, ktoré majú na starosti túto synchronizáciu medzi prvkami, napríklad multiplikátor, ktorý uvidíme neskôr. Počítadlo programov (CP): obsahuje adresu pamäte ďalšej inštrukcie, ktorá sa má vykonať. Inštrukčný register (RI): uloží vykonávanú inštrukciu Sekvencer a dekodér: interpretuje a vykonáva inštrukcie prostredníctvom príkazov

Aritmeticko-logická jednotka

Určite to poznáte podľa jej skratky „ALU“. ALU má na starosti vykonávanie všetkých aritmetických a logických výpočtov pomocou celých čísel na bitovej úrovni, táto jednotka pracuje priamo s pokynmi (operandy) a s operáciou, ktorú jej nariadila riadiaca jednotka (operátor).

Operandy môžu pochádzať buď z vnútorných registrov procesora, alebo priamo z pamäte RAM, môžu byť dokonca generované v samotnej ALU v dôsledku inej operácie. Výstupom bude výsledok operácie, čo je ďalšie slovo, ktoré sa uloží do registra. Toto sú jeho základné časti:

• Registre vstupu (REN): uchovávajú v nich operandy, ktoré sa majú hodnotiť. Prevádzkový kód: CU odošle operátorovi, aby sa operácia vykonala Akumulátor alebo Výsledok: výsledok operácie vychádza z ALU ako binárne slovo Stavový register (Flag): ukladá rôzne podmienky, ktoré je potrebné zohľadniť počas operácie.

Jednotka s pohyblivou rádovou čiarkou

Budete to vedieť ako FPU alebo Floating Point Unit. V podstate je to aktualizácia vykonaná procesormi novej generácie, ktorá sa špecializuje na výpočet operácií s pohyblivou rádovou čiarkou pomocou matematického koprocesora. Existujú jednotky, ktoré dokážu dokonca vykonávať trigonometrické alebo exponenciálne výpočty.

V zásade ide o prispôsobenie na zvýšenie výkonu procesorov v grafickom spracovaní, kde výpočty, ktoré sa majú vykonať, sú oveľa ťažšie a zložitejšie ako v bežných programoch. V niektorých prípadoch funkcie FPU vykonáva samotná ALU pomocou mikrokódu inštrukcie.

záznamy

Dnešné procesory majú takpovediac vlastný úložný systém a najmenšou a najrýchlejšou jednotkou sú registre. V zásade ide o malý sklad, kde sa ukladajú spracovávané pokyny a výsledky z nich získané.

Pamäť cache

Ďalšou úrovňou ukladania je vyrovnávacia pamäť, ktorá je tiež mimoriadne rýchla, oveľa viac ako pamäť RAM, ktorá je zodpovedná za ukladanie pokynov, ktoré bude procesor okamžite používať. Alebo sa pokúsite uložiť pokyny, o ktorých si myslíte, že budú použité, pretože niekedy nie je na výber, ale vyžiadať si ich priamo z pamäte RAM.

Vyrovnávacia pamäť súčasných procesorov je integrovaná do rovnakého DIE procesora a je rozdelená do celkom troch úrovní, L1, L2 a L3:

• Vyrovnávacia pamäť úrovne 1 (L1): Je najmenšia po protokoloch a najrýchlejšia z troch. Každé procesorové jadro má svoju vlastnú vyrovnávaciu pamäť L1, ktorá je ďalej rozdelená na dve, dáta L1, ktoré sú zodpovedné za ukladanie údajov, a inštrukcia L1, ktorá ukladá inštrukcie na vykonanie. Zvyčajne je to 32 kB. Vyrovnávacia pamäť úrovne 2 (L2) - Táto pamäť je pomalšia ako L2, ale je aj väčšia. Typicky má každé jadro svoj vlastný L2, ktorý môže byť asi 256 KB, ale v tomto prípade nie je priamo integrovaný do obvodu jadra. Vyrovnávacia pamäť úrovne 3 (L3): Je to najpomalší z troch, aj keď oveľa rýchlejší ako RAM. Nachádza sa tiež mimo jadier a je distribuovaný medzi niekoľko jadier. To sa pohybuje medzi 8 MB a 16 MB, aj keď vo veľmi výkonných procesoroch dosahuje až 30 MB.

Prichádzajúce a odchádzajúce autobusy

Bus je komunikačný kanál medzi rôznymi prvkami, ktoré tvoria počítač. Sú to fyzické vedenia, cez ktoré údaje cirkulujú vo forme elektriny, pokyny a všetky prvky potrebné na spracovanie. Tieto zbernice môžu byť umiestnené priamo vo vnútri procesora alebo mimo neho na základnej doske. Na počítači sú tri typy autobusov:

• Dátová zbernica: určite najjednoduchšie pochopiteľné, pretože to je zbernica, cez ktorú cirkulujú údaje odoslané a prijaté rôznymi komponentmi do alebo z procesora. To znamená, že je to obojsmerná zbernica a cez ňu budú obiehať slová s dĺžkou 64 bitov, čo je dĺžka, ktorú procesor dokáže zvládnuť. Príkladom dátovej zbernice sú LANES alebo PCI Express Lines, ktoré komunikujú CPU s PCI slotmi, napríklad pre grafickú kartu. Adresová zbernica: adresová zbernica necirkuluje údaje, ale adresy pamäte, aby zistila, kde sú uložené dáta. RAM je ako veľké úložisko dát rozdelené do buniek a každá z týchto buniek má svoju vlastnú adresu. Bude to procesor, ktorý žiada o pamäť údajov odoslaním adresy pamäte, táto adresa musí byť tak veľká, ako bunky majú pamäť RAM. V súčasnosti môže procesor adresovať pamäťové adresy až do 64 bitov, to znamená, že by sme mohli spracovať pamäte až do 2 ⁶⁴ buniek. Riadiaca zbernica: riadiaca zbernica je zodpovedná za správu dvoch predchádzajúcich zberníc pomocou riadiacich a časovacích signálov na synchronizované a efektívne využitie všetkých informácií, ktoré cirkulujú do alebo z procesora. Bolo by to ako veža riadenia letovej prevádzky na letisku.

BSB, vstupná / výstupná jednotka a multiplikátor

Je dôležité vedieť, že súčasní spracovatelia nemajú tradičný FSB alebo Front Bus, ktorý slúžil na komunikáciu CPU so zvyškom prvkov základnej dosky, napríklad čipovej sady a periférnych zariadení cez severný most a južný most. Dôvodom je skutočnosť, že samotná zbernica bola vložená do CPU ako jednotka na správu a vstup a výstup údajov (I / O), ktorá priamo komunikuje RAM s procesorom, akoby to bol starý severný most. Technológie ako HyperTransport AMD alebo HyperThreading spoločnosti Intel sú zodpovedné za správu výmeny informácií o vysoko výkonných procesoroch.

BSB alebo Back Side Bus je zbernica, ktorá je zodpovedná za spojenie mikroprocesora s vlastnou vyrovnávacou pamäťou, obvykle s L2. Týmto spôsobom je možné prednú zbernicu zbaviť pomerne veľkého zaťaženia, a tým zvýšiť rýchlosť vyrovnávacích pamätí ešte bližšie k rýchlosti jadra.

Nakoniec máme multiplikátory, ktoré sú radom prvkov umiestnených vnútri alebo mimo procesora, ktoré sú zodpovedné za meranie vzťahu medzi CPU hodinami a hodinami externých zberníc. V tejto chvíli vieme, že CPU je prostredníctvom zberníc spojený s prvkami ako RAM, chipset a ďalšie periférne zariadenia. Vďaka týmto multiplikátorom je možné, že frekvencia CPU je oveľa rýchlejšia ako externé zbernice, aby bolo možné spracovať viac údajov.

Napríklad multiplikátor x10 umožní systému, ktorý pracuje pri 200 MHz, pracovať na CPU pri 2000 MHz. V súčasných procesoroch nájdeme jednotky s odomknutým multiplikátorom, čo znamená, že môžeme zvýšiť jeho frekvenciu a tým aj rýchlosť spracovania. Nazývame to pretaktovanie.

IGP alebo interná grafická karta

Aby sme skončili s časťami procesora, nemôžeme zabudnúť na integrovanú grafickú jednotku, ktorú niektoré z nich nesú. Predtým, ako sme videli, čo je FPU, av tomto prípade čelíme niečomu podobnému, ale s oveľa väčšou silou, pretože v podstate ide o sériu jadier schopných samostatne spracovať grafiku nášho tímu, ktoré sú pre matematické účely obrovské množstvo výpočtov s pohyblivou rádovou čiarkou a grafické vykreslenie, ktoré by bolo veľmi náročné na procesor.

IGP funguje rovnako ako externá grafická karta, karta, ktorú sme nainštalovali cez slot PCI-Express, iba v menšom meradle alebo v menšom výkone. Nazýva sa integrovaný grafický procesor, pretože je to integrovaný obvod nainštalovaný v rovnakom procesore, ktorý uvoľňuje centrálnu jednotku tejto série komplikovaných procesov. Bude to užitočné, keď nemáme grafickú kartu, ale zatiaľ nemá výkon porovnateľný s týmito.

AMD aj Intel majú jednotky, ktoré integrujú IGP do CPU, preto sa nazývajú APU (Accelerated Processing Unit). Príkladom toho sú takmer všetky Intel Core rodiny i, spolu s AMD Athlon a niektorými Ryzen.

Záver k častiam spracovateľa

Končíme na konci tohto dlhého článku, v ktorom vidíme viac-menej základným spôsobom to, čo sú súčasti procesora z vonkajšieho aj vnútorného hľadiska. Pravda je, že je to veľmi zaujímavá téma, ale sakramentsky zložitá a dlhá doba na vysvetlenie, ktorej podrobnosti sú mimo pochopenia takmer všetkých z nás, ktorí nie sú ponorení do montážnych liniek a výrobcov tohto typu zariadenia.

Teraz vám zanecháme niekoľko tutoriálov, ktoré by vás mohli zaujímať.

Ak máte akékoľvek otázky alebo chcete objasniť akýkoľvek problém v článku, pozývame vás, aby ste ho napísali do komentára. Vždy je dobré mať názor a múdrosť druhých.