▷ Čo je procesor a ako to funguje

Dnes uvidíme hardvér. Náš tím pozostáva z veľkého množstva elektronických komponentov, ktoré dokážu spolu ukladať a spracovávať údaje. Jeho hlavnou súčasťou je procesor, procesor alebo centrálna procesorová jednotka. Budeme hovoriť o tom, čo je procesor, aké sú jeho komponenty a ako to detailne funguje.

Pripravený? Začnime!

Index obsahu

Čo je procesor?

Prvá vec, ktorú budeme musieť definovať, je to, čo mikroprocesor pozná všetko ostatné. Mikroprocesor je mozog počítača alebo počítača, je tvorený integrovaným obvodom zapuzdreným do kremíkového čipu, ktorý pozostáva z miliónov tranzistorov. Jeho funkciou je spracovávať údaje, riadiť činnosť všetkých počítačových zariadení, najmenej ich veľká časť a čo je najdôležitejšie: je zodpovedná za vykonávanie logických a matematických operácií.

Ak si to uvedomíme, všetky údaje, ktoré cirkulujú cez náš stroj, sú elektrické impulzy, tvorené signálmi tých a núl, ktoré sa nazývajú bity. Každý z týchto signálov je zoskupený do sady bitov, ktoré tvoria inštrukcie a programy. Mikroprocesor je zodpovedný za to, že to dáva zmysel tým, že vykonáva základné operácie: SUM, SUBTRAKT A ALEBO MUL, DIV, OPPOSITE A INVERSE. Potom musíme k mikroprocesoru:

• Dekóduje a vykonáva pokyny programov načítaných v hlavnej pamäti počítača. Koordinuje a riadi všetky komponenty, ktoré tvoria počítač a periférne zariadenia, ktoré sú k nemu pripojené, myš, klávesnica, tlačiareň, obrazovka atď.

Procesory sú v súčasnosti zvyčajne štvorcové alebo pravouhlé a sú umiestnené na prvku nazývanom soket pripevnený k základnej doske. Toto bude zodpovedné za distribúciu údajov medzi procesorom a ostatnými prvkami, ktoré sú k nemu pripojené.

Architektúra počítača

V nasledujúcich častiach uvidíme celú architektúru procesora.

Von Neumannova architektúra

Od vynálezu mikroprocesorov až po súčasnosť sú založené na architektúre, ktorá rozdeľuje procesor na niekoľko prvkov, ktoré uvidíme neskôr. Toto sa nazýva Von Neumannova architektúra. Je to architektúra, ktorú vymyslel v roku 1945 matematik Von Neumann a ktorá opisuje návrh digitálneho počítača rozdeleného na sériu častí alebo prvkov.

Súčasní spracovatelia sú stále do veľkej miery založené na tejto základnej architektúre, hoci sa logicky zaviedlo veľké množstvo nových prvkov, až kým nebudeme mať extrémne úplné prvky, ktoré máme dnes. Možnosť viacerých čísel na rovnakom čipe, pamäťových prvkoch na rôznych úrovniach, vstavanom grafickom procesore atď.

Vnútorné časti počítača

Základné súčasti počítača podľa tejto architektúry sú nasledujúce:

• Pamäť: je prvok, v ktorom sú uložené pokyny, ktoré počítač vykonáva, a údaje, na ktorých tieto pokyny fungujú. Tieto pokyny sa nazývajú program. Centrálna procesorová jednotka alebo procesor: je to prvok, ktorý sme predtým definovali. Je zodpovedný za spracovanie pokynov, ktoré k nemu prichádzajú z pamäte Vstupná a výstupná jednotka: umožňuje komunikáciu s externými prvkami. Dátové zbernice: sú stopy, stopy alebo káble, ktoré fyzicky spájajú predchádzajúce prvky.

Prvky mikroprocesora

Po definovaní hlavných častí počítača a pochopení toho, ako v ňom cirkulujú informácie.

• Riadiaca jednotka (UC): je to prvok, ktorý je zodpovedný za vydávanie objednávok prostredníctvom riadiacich signálov, napríklad hodín. Vyhľadá inštrukcie v hlavnej pamäti a odovzdá ich dekodéru inštrukcií na vykonanie. Vnútorné časti:
  1. Hodiny: Generuje štvorcovú vlnu na synchronizáciu operácií procesora. Počítadlo programov: obsahuje adresu pamäte nasledujúcej inštrukcie, ktorá sa má vykonať. Inštrukčný záznam: Obsahuje inštrukciu, ktorá práve vykonáva Sekvencer: Generuje základné príkazy na spracovanie. výučby. Dekodér inštrukcií (DI): zodpovedá za interpretáciu a vykonávanie pokynov, ktoré prichádzajú, za extrahovanie kódu operácie inštrukcie.

• Logická aritmetická jednotka (ALU): zodpovedá za vykonávanie aritmetických výpočtov (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) a logických operácií (AND, OR,…). Vnútorné časti.
  1. Prevádzkový obvod: obsahujú multiplexory a obvody na vykonávanie operácií. Vstupné registre: údaje sú uložené a prevádzkované pred vstupom do operačného obvodu Akumulátor: ukladá výsledky vykonaných operácií Stavový register (Flag): ukladá určité podmienky, ktoré sa musia zohľadniť pri následných operáciách.

• Jednotka s pohyblivou rádovou čiarkou (FPU): Tento prvok nebol v pôvodnom architektonickom návrhu, neskôr bol zavedený, keď sa inštrukcie a výpočty stali zložitejšími vzhľadom na graficky znázornené programy. Táto jednotka je zodpovedná za vykonávanie operácií s pohyblivou rádovou čiarkou, tj reálnych čísel. Record Bank and Cache: Dnešné procesory majú volatilnú pamäť, ktorá premosťuje RAM z CPU. Je to omnoho rýchlejšie ako RAM a je zodpovedné za zrýchlenie prístupu mikroprocesora k hlavnej pamäti.

• Front Side Bus (FSB): Známy tiež ako dátová zbernica, hlavná zbernica alebo systémová zbernica. Je to cesta alebo kanál, ktorý komunikuje mikroprocesor so základnou doskou, konkrétne s čipom nazývaným severný most alebo mostík. Toto je zodpovedné za riadenie prevádzky hlavnej zbernice CPU, RAM a rozširujúcich portov, ako je PCI-Express. Termíny používané na definovanie tejto zbernice sú „Quick Path Interconnect“ pre Intel a „Hypertransport“ pre AMD.

Zdroj: sleeperfurniture.co

Zdroj: ixbtlabs.com

• Zadná strana BUS (BSB): táto zbernica komunikuje s vyrovnávacou pamäťou úrovne 2 (L2) s procesorom, pokiaľ nie je integrovaná do samotného jadra CPU. V súčasnosti majú všetky mikroprocesory zabudovanú vyrovnávaciu pamäť do samotného čipu, takže táto zbernica je tiež súčasťou toho istého čipu.

Dva alebo viac jadrových mikroprocesorov

V tom istom procesore budeme nielen distribuovať tieto prvky vo vnútri, ale teraz sa replikujú. V jednotke budeme mať niekoľko spracovateľských jadier alebo rovnaké množstvo mikroprocesorov. Každý z nich bude mať svoju vlastnú vyrovnávaciu pamäť L1 a L2, obvykle L3 je medzi nimi zdieľaná, v pároch alebo spolu.

Okrem toho budeme mať ALU, UC, DI a FPU pre každé jadro, takže rýchlosť a kapacita spracovania sa znásobia v závislosti od počtu jadier, ktoré má. Vo vnútri mikroprocesorov sa objavujú aj nové prvky:

• Integrovaný ovládač pamäte (IMC): Teraz, keď má niekoľko jadier vzhľad, má procesor systém, ktorý umožňuje priamy prístup k hlavnej pamäti. Integrovaný GPU (iGP) - GPU spracováva grafické spracovanie. Väčšinou ide o operácie s pohyblivou rádovou čiarkou s bitovými reťazcami s vysokou hustotou, takže spracovanie je oveľa zložitejšie ako bežné programové údaje. Z tohto dôvodu existujú vo vnútri mikroprocesorové rady, ktoré implementujú jednotku výlučne vyhradenú pre grafické spracovanie.

Niektoré procesory, napríklad AMD Ryzen, nemajú internú grafickú kartu. Iba vaše APU?

Prevádzka mikroprocesora

Procesor pracuje podľa inštrukcií, pričom každá z týchto inštrukcií je binárny kód určitej prípony, ktorej je procesor schopný porozumieť.

Program je preto súbor inštrukcií a na jeho vykonanie sa musí vykonať postupne, to znamená vykonať jednu z týchto inštrukcií v každom kroku alebo časovom období. Na vykonanie inštrukcie existuje niekoľko fáz:

• Vyhľadávanie inštrukcií: prinesieme inštrukciu z pamäte do procesora Dekódovanie inštrukcií: inštrukcia je rozdelená na jednoduchšie kódy zrozumiteľné pre CPU. Operované vyhľadávanie: s inštrukciou načítanou v CPU musíte nájsť zodpovedajúceho operátora. inštrukcia: vykonať potrebnú logickú alebo aritmetickú operáciu Uloženie výsledku: výsledok sa uloží do vyrovnávacej pamäte

Každý procesor pracuje s určitou sadou pokynov, ktoré sa vyvinuli spolu s procesormi. Názov x86 alebo x386 sa vzťahuje na súbor pokynov, s ktorými procesor pracuje.

Tradične sa 32-bitové procesory nazývajú aj x86, pretože v tejto architektúre pracovali s touto sadou pokynov od procesora Intel 80386, ktorý ako prvý implementoval 32-bitovú architektúru.

Tento súbor pokynov je potrebné aktualizovať, aby fungoval efektívnejšie a so zložitejšími programami. Niekedy vidíme, že v požiadavkách na spustenie programu príde sada skratiek, ako sú SSE, MMX atď. Toto je sada inštrukcií, s ktorými sa môže mikroprocesor vysporiadať. Máme teda:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): Umožnili CPU pracovať s operáciami s pohyblivou rádovou čiarkou. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 atď.: Rôzne aktualizácie tejto sady pokynov.

Nekompatibilita procesora

Všetci si pamätáme, kedy by operačný systém Apple mohol bežať na počítači so systémom Windows alebo Linux. Je to kvôli typu pokynov od rôznych spracovateľov. Spoločnosť Apple používala procesory PowerPC, ktoré pracovali s inými pokynmi ako Intel a AMD. Existuje teda niekoľko návrhov inštrukcií:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): je to ten, ktorý používajú Intel a AMD, je to o použití súboru niekoľkých pokynov, ale o zložitých. Majú vyššiu spotrebu zdrojov, sú úplnejšími pokynmi, ktoré vyžadujú niekoľko hodinových cyklov. RISC (Reduced Instruction Set Computer): je to ten, ktorý používajú spoločnosti Apple, Motorola, IBM a PowerPC, jedná sa o účinnejšie procesory s väčším počtom pokynov, ale s menšou komplexnosťou.

V súčasnosti sú oba operačné systémy kompatibilné, pretože Intel a AMD implementujú do svojich procesorov kombináciu architektúr.

Proces vykonávania pokynov

1. Procesor sa reštartuje, keď prijíma signál RESET, čím sa systém pripraví prijatím hodinového signálu, ktorý určí rýchlosť procesu V registri CP (počítadlo programov), adresa pamäte, na ktorej Riadiaca jednotka (UC) vydá príkaz na vyvolanie inštrukcie, ktorú RAM uložila na pamäťovú adresu, ktorá je v CP. Potom RAM odošle dáta a umiestni sa na dátovú zbernicu, kým ktorá je uložená v RI (Instruction Register). UC riadi proces a inštrukcia prechádza do dekodéra (D), aby zistila význam inštrukcie. Toto potom prechádza UC, ktorý sa má vykonať. Keď je inštrukcia známa a aká operácia sa má vykonať, oba sa načítajú do vstupných registrov ALU (REN). ALU vykoná operáciu a výsledok umiestni do dátová zbernica a CP sa pridajú 1 na vykonanie nasledujúcej inštrukcie.

Ako zistiť, či je procesor dobrý

Aby sme vedeli, či je mikroprocesor dobrý alebo zlý, musíme sa pozrieť na každú jeho vnútornú súčasť:

Šírka autobusu

Šírka zbernice určuje veľkosť registrov, ktoré ňou môžu cirkulovať. Táto šírka sa musí zhodovať s veľkosťou registrov procesorov. Týmto spôsobom máme to, že šírka autobusu predstavuje najväčší register, ktorý je schopný prepravovať v jednej operácii.

Priamo súvisiaca s touto zbernicou bude aj pamäť RAM, musí byť schopný ukladať každý z týchto registrov so šírkou, ktorú majú (nazýva sa šírka pamäťového slova).

Čo momentálne máme, keď je šírka zbernice 32 bitov alebo 64 bitov, to znamená, že môžeme súčasne prepravovať, ukladať a spracovávať reťazce 32 alebo 64 bitov. S 32 bitmi, z ktorých každý môže byť 0 alebo 1, môžeme adresovať množstvo pamäte 2 ³² (4 GB) a so 64 bitmi 16 EB exabajtov. To neznamená, že v našom počítači máme 16 Exabajtov pamäte, ale skôr to predstavuje schopnosť spravovať a využívať určité množstvo pamäte. Z tohto dôvodu je známe obmedzenie 32-bitových systémov na adresovanie iba 4 GB pamäte.

Stručne povedané, čím širší je autobus, tým viac pracovnej kapacity.

Pamäť cache

Tieto spomienky sú omnoho menšie ako RAM, ale omnoho rýchlejšie. Jeho funkciou je ukladať pokyny, ktoré sa práve spracúvajú, alebo posledné spracované. Čím viac pamäte cache, tým vyššia je rýchlosť transakcie, ktorú môže CPU vyzdvihnúť a klesnúť.

Tu si musíme uvedomiť, že všetko, čo sa dostane k procesoru, pochádza z pevného disku a dá sa povedať, že je to výrazne pomalšie ako RAM a ešte viac ako vyrovnávacia pamäť. Z tohto dôvodu boli tieto pevné disky navrhnuté tak, aby riešili veľké prekážky, ktorými je pevný disk.

A pýtame sa sami seba, prečo potom nielen vyrábajú veľké cache, odpoveď je jednoduchá, pretože sú veľmi drahé.

Interná rýchlosť procesora

Rýchlosť internetu je pri prehliadaní procesora takmer vždy najvýraznejšou vecou. „Procesor beží na 3, 2 GHz, “ ale čo je to? Rýchlosť je taktovacia frekvencia, pri ktorej mikroprocesor pracuje. Čím vyššia je táto rýchlosť, tým viac operácií za jednotku času bude môcť vykonať. To sa premieta do vyššieho výkonu, a preto existuje vyrovnávacia pamäť, aby sa zrýchlil zber údajov procesorom, aby sa vždy robil maximálny počet operácií za jednotku času.

Táto hodinová frekvencia je daná periodickým signálom štvorcovej vlny. Maximálny čas na vykonanie operácie je jedna perióda. Obdobie je inverzia frekvencie.

Ale nie všetko je rýchlosť. Existuje veľa komponentov, ktoré ovplyvňujú rýchlosť procesora. Ak napríklad máme štvorjadrový procesor pri 1, 8 GHz a ďalší jednojadrový pri 4, 0 GHz, je isté, že štvorjadrový procesor je rýchlejší.

Rýchlosť zbernice

Rovnako ako je dôležitá rýchlosť procesora, je dôležitá aj rýchlosť dátovej zbernice. Základná doska vždy pracuje s omnoho nižšou taktovacou frekvenciou ako mikroprocesor, preto potrebujeme multiplikátor, ktorý tieto frekvencie upravuje.

Ak máme napríklad základnú dosku so zbernicou pri taktovacej frekvencii 200 MHz, multiplikátor 10x dosiahne frekvenciu CPU 2 GHz.

mikroarchitektúry

Mikroarchitektúra procesora určuje počet tranzistorov na jednotku vzdialenosti v ňom. Táto jednotka sa v súčasnosti meria v nm (nanometroch), čím je menšia, tým väčší je počet tranzistorov, a preto je možné umiestniť väčší počet prvkov a integrovaných obvodov.

To priamo ovplyvňuje spotrebu energie, menšie zariadenia budú potrebovať menší tok elektrónov, takže na vykonávanie rovnakých funkcií ako vo väčšej mikroarchitektúre bude potrebné menej energie.

Zdroj: intel.es

Chladenie komponentov

V dôsledku enormnej rýchlosti dosiahnutej procesorom generuje prúdový tok teplo. Čím vyššia je frekvencia a napätie, tým väčšia bude výroba tepla, preto je potrebné túto súčasť chladiť. Existuje niekoľko spôsobov, ako to urobiť:

• Pasívne chladenie: kovovými rozptyľovačmi (meď alebo hliník), ktoré zvyšujú povrch kontaktu so vzduchom pomocou rebier. Aktívne chladenie : Okrem chladiča je tiež umiestnený ventilátor, ktorý zaisťuje nútený prúdenie vzduchu medzi rebrami pasívneho prvku.

• Kvapalné chladenie: pozostáva z okruhu tvoreného čerpadlom a rebrovaným chladičom. Voda cirkuluje cez blok umiestnený v CPU, tekutý prvok zhromažďuje generované teplo a prenáša ho do radiátora, ktorý prostredníctvom núteného vetrania odvádza teplo, čím opäť znižuje teplotu kvapaliny.

Niektoré procesory zahŕňajú chladič. Normálne to nie je veľký problém, ale slúžia na uvedenie počítača do prevádzky a vylepšenie

• Chladenie pomocou Heatpipe: systém pozostáva z uzavretého okruhu medených alebo hliníkových rúr naplnených tekutinou. Táto tekutina zhromažďuje teplo z procesora a odparuje sa stúpajúcou do hornej časti systému. V tomto bode je rebrovaný chladič, ktorý vymieňa teplo tekutiny z vnútra do vonkajšieho vzduchu, čím tekutina kondenzuje a klesá späť do bloku CPU.

Odporúčame

Týmto sa uzatvára náš článok o tom, čo je procesor a ako to detailne funguje. Dúfame, že sa vám to páčilo.