▷ Části procesoru vně a uvnitř: základní pojmy?

Jistě všichni zhruba víme, co je CPU, ale opravdu víme, jaké jsou součásti procesoru ? Každý jeden z hlavních, který je nezbytný pro to, aby tento malý čtverec křemíku mohl zpracovat velké množství informací, byl schopen přenést lidstvo do doby, kdy by bez elektronických systémů byl úplným debaklem.

Zpracovatelé jsou již součástí našeho každodenního života, zejména lidí, kteří se narodili za posledních 20 let. Mnoho z nich se zcela smíchalo s technologií, nemluvě o těch malých, kteří přinášejí Smartphone pod paži místo bochníku… Ve všech těchto zařízeních je společný prvek nazývaný procesor, který je zodpovědný za poskytování „inteligence“ stroje kolem nás. Pokud by tento prvek neexistoval, ani počítače, mobilní telefony, roboty a montážní linky, zkrátka všichni, měli by práci… ale bylo by nemožné dostat se tam, kde jsme je vytvořili, stále neexistuje svět jako "Matrix", ale všechno půjde.

Index obsahu

Co je procesor a proč je tak důležitý

Nejprve si musíme uvědomit, že nejen počítač má uvnitř procesor. Všechna elektronická zařízení, všechny, mají v sobě prvek, který funguje jako procesor, ať už se jedná o digitální hodiny, programovatelný automat nebo chytrý telefon.

Musíme si však samozřejmě také uvědomit, že v závislosti na jejich schopnostech a na tom, co jsou vyrobeny, mohou být procesory více či méně složité, od jednoduchého provedení posloupnosti binárních kódů po rozsvícení LED panelu, po zpracování obrovského množství informace včetně jejich poučení (Machine Learning a Artificial Intelligence).

CPU nebo centrální procesorová jednotka ve španělštině je elektronický obvod schopný vykonávat úkoly a pokyny obsažené v programu. Tyto instrukce jsou velmi zjednodušené a snižují se na základní aritmetické výpočty (sčítání, odčítání, násobení a dělení), logické operace (AND, OR, NOT, NOR, NAND) a řízení vstupu / výstupu (I / O). zařízení.

Procesor je pak prvkem odpovědným za provádění všech operací, které tvoří pokyny programu. Pokud se postavíme do strojového hlediska, tyto operace se zredukují na jednoduché řetězce nul a ty, které se nazývají bity, a které představují aktuální / neobvyklé stavy, a vytvářejí tak binární logické struktury, které dokáže i lidská bytost. porozumět a programovat ve strojovém kódu, assembleru nebo prostřednictvím programovacího jazyka vyšší úrovně.

Tranzistory, viníky všeho

Procesory by neexistovaly, přinejmenším tak malé, kdyby nebyly tranzistory. Jsou tak základní jednotkou jakéhokoli procesoru a integrovaného obvodu. Jde o polovodičové zařízení, které uzavírá nebo otevírá elektrický obvod nebo zesiluje signál. Tímto způsobem můžeme vytvářet ty a nuly, binární jazyk, kterému CPU rozumí.

Tyto tranzistory začínaly jako vakuové ventily, obrovská zařízení podobná žárovce schopná provádět vlastní komutace tranzistoru, ale s mechanickými prvky ve vakuu. Počítače jako ENIAC nebo EDVAC měly uvnitř tranzistory vakuové ventily místo tranzistorů a byly nesmírně velké a prakticky spotřebovaly energii malého města. Tyto stroje byly první s architekturou Von Neumanna.

Ale v 50. až 60. letech 20. století se začaly vytvářet první tranzistorové procesory - ve skutečnosti to byla IBM v roce 1958, kdy s IBM 7090 vytvořila svůj první polovodičový tranzistorový stroj. Od té doby byl vývoj velkolepý, výrobci jako Intel a později AMD začali vytvářet první procesory pro stolní počítače a implementovat revoluční architekturu x86 díky procesoru Intel 8086. Ve skutečnosti i dnes jsou naše stolní procesory založeny na této architektuře, později uvidíme části procesoru x86.

Poté začala být architektura stále složitější, s menšími čipy a také s prvním zavedením více jader uvnitř a poté s jádry speciálně zaměřenými na zpracování grafiky. Uvnitř těchto malých čipů byly zavedeny dokonce velmi rychlé paměti nazývané vyrovnávací paměť a propojovací sběrnice s hlavní pamětí RAM.

Vnější části procesoru

Po tomto krátkém přehledu historie procesorů až do dnešní doby uvidíme, jaké externí prvky má současný procesor. Mluvíme o fyzických prvcích, kterých se lze dotknout a které jsou z pohledu uživatele. To nám pomůže lépe porozumět fyzickým potřebám a potřebám připojení procesoru.

Socket

Zásuvka nebo soket CPU je elektromechanický systém pevně nainstalovaný na základní desce, který je zodpovědný za propojení procesoru s ostatními prvky na desce a počítačem. Na trhu existuje několik základních typů soketů a také s mnoha různými konfiguracemi. Ve vašem jménu nebo označení jsou tři prvky, díky nimž pochopíme, o kterém z nich mluvíme:

Výrobce může být Intel nebo AMD v případě osobních počítačů, což je něco srozumitelného. Pokud jde o typ připojení, máme tři různé typy:

• LGA: (síťové kontaktní pole) znamená, že kontaktní kolíky jsou nainstalovány v samotné zásuvce, zatímco CPU má pouze ploché kontaktní pole. PGA: (mřížkové pole kolíků), je to právě opak toho předchozího, je to procesor, který má kolíky, a soket otvory pro jejich vložení. BGA: (koule mřížkové pole), v tomto případě je procesor přímo pájen k základní desce.

Pokud jde o poslední číslo, identifikuje typ distribuce nebo počet připojovacích kolíků, které má CPU s paticí. V Intel i AMD je jich obrovské množství.

Substrát

Substrátem je v podstatě PCB, kde je nainstalován křemíkový čip, který obsahuje elektronický obvod jader, zvaný DIE. Dnešní procesory mohou mít více než jeden z těchto prvků nainstalován samostatně.

Ale také tato malá deska plošných spojů obsahuje celou matici spojovacích kolíků se zásuvkou na základní desce, téměř vždy pozlacená, aby se zlepšil přenos elektřiny, a s ochranou před přetížením a proudovými rázy ve formě kondenzátorů.

DIE

DIE je přesně čtverec nebo čip, který obsahuje všechny integrované obvody a vnitřní komponenty procesoru. Vizuálně je považován za malý černý prvek vyčnívající ze substrátu a dotýkající se prvku rozptylujícího teplo.

Protože celý procesní systém je uvnitř, DIE dosahuje neuvěřitelně vysokých teplot, takže musí být chráněn jinými prvky.

IHS

Také se nazývá DTS nebo Integrated Thermal Diffuser a jeho funkcí je zachytit veškerou teplotu procesorových jader a přenést ji na chladič, který tento prvek nainstaloval. Je vyroben z mědi nebo hliníku.

Tento prvek je fólie nebo zapouzdření, které chrání DIE z vnějšku, a může s ním být v přímém kontaktu pomocí tepelné pasty nebo přímo svařovat. Ve speciálních herních zařízeních uživatelé odstraňují tento IHS, aby chladiče umístili přímo do kontaktu s DIE pomocí tepelné pasty v tekuté kovové směsi. Tento proces se nazývá Delidding a jeho účelem je podstatně zlepšit teploty procesoru.

Chladič

Poslední prvek, který je zodpovědný za zachycení co největšího množství tepla a jeho přenos do atmosféry. Jsou to malé nebo velké bloky vyrobené z hliníku a měděné základny, vybavené ventilátory, které pomáhají ochlazovat celý povrch pomocí nuceného proudu vzduchu skrz žebra.

Každý procesor PC potřebuje chladič, aby fungoval a udržoval své teploty pod kontrolou.

To jsou části procesoru navenek, nyní uvidíme nejtechničnější část, její vnitřní komponenty.

Von Neumannova architektura

Dnešní počítače jsou založeny na architektuře Von Neumanna, který byl matematikem zodpovědným za to, že v roce 1945 dal život prvním počítačům v historii, víte, ENIAC a dalším velkým přátelům. Tato architektura je v podstatě způsob, jakým jsou distribuovány prvky nebo komponenty počítače, aby bylo možné jeho fungování. Skládá se ze čtyř základních částí:

• Programová a datová paměť: je to prvek, kde jsou uloženy instrukce, které mají být provedeny v procesoru. Skládá se z paměťových jednotek nebo pevných disků, RAM s nezávislým přístupem a programů, které obsahují samotné pokyny. Centrální procesorová jednotka nebo procesor: je to procesor, jednotka, která řídí a zpracovává všechny informace, které pocházejí z hlavní paměti a vstupních zařízení. Vstupní a výstupní jednotka: umožňuje komunikaci s periferiemi a komponenty, které jsou připojeny k centrální jednotce. Fyzicky bychom je mohli identifikovat jako sloty a porty naší základní desky. Datové sběrnice: jsou stopy, stopy nebo kabely, které fyzicky spojují prvky. V CPU jsou rozděleny na řídicí sběrnici, datovou sběrnici a adresovou sběrnici.

Vícejádrové procesory

Než začneme vyjmenovávat vnitřní komponenty procesoru, je velmi důležité vědět, co jsou jádra procesoru a jejich funkce v něm.

Jádrem procesoru je integrovaný obvod, který je zodpovědný za provádění nezbytných výpočtů s informacemi, které jimi procházejí. Každý procesor pracuje na určité frekvenci, měřeno v MHz, což indikuje počet operací, které je schopen provádět. Současné procesory mají nejen jádro, ale několik z nich, všechny se stejnými vnitřními komponentami a schopné provádět a řešit instrukce současně v každém hodinovém cyklu.

Pokud tedy procesor jádra může provést jednu instrukci v každém cyklu, pokud měl 6, mohl by provést 6 těchto instrukcí ve stejném cyklu. Jedná se o dramatický upgrade výkonu a přesně to dělají dnešní procesory. Máme však nejen jádra, ale také zpracovávající vlákna, která jsou jako druh logických jader, kterými cirkulují vlákna programu.

Navštivte náš článek o: jaké jsou vlákna procesoru? Rozdíly s jádry se dozvědět více o předmětu.

Vnitřní části procesoru (x86)

Existuje mnoho různých architektur a konfigurací mikroprocesorů, ale ta, která nás zajímá, je ta, která je uvnitř našich počítačů, a to je bezpochyby ta, která dostává jméno x86. Viděli jsme to přímo fyzicky nebo schematicky, aby to bylo trochu jasnější, protože víme, že to vše je v DIE.

Musíme mít na paměti, že řídicí jednotka, aritmeticko-logická jednotka, registry a FPU budou přítomny v každém z procesorových jader.

Podívejme se nejprve na hlavní vnitřní komponenty:

Řídicí jednotka

V angličtině zvané Conrol Unit nebo CU má na starosti řízení provozu procesoru. To se provádí vydáváním příkazů ve formě řídicích signálů do RAM, aritmeticko-logické jednotky a vstupních a výstupních zařízení, aby věděli, jak spravovat informace a pokyny, které se odesílají do procesoru. Například shromažďují data, provádějí výpočty a ukládají výsledky.

Tato jednotka zajišťuje, že ostatní komponenty pracují synchronizovaně pomocí hodin a časovacích signálů. Prakticky všechny procesory mají tuto jednotku uvnitř, ale řekněme, že je mimo to, co je jádrem samotného zpracování. Na druhé straně v něm můžeme rozlišit následující části:

• Hodiny (CLK): je zodpovědný za generování čtvercového signálu, který synchronizuje vnitřní komponenty. Existují další hodiny, které mají na starosti tuto synchronizaci mezi elementy, například multiplikátor, který uvidíme později. Čítač programu (CP): obsahuje adresu paměti další instrukce, která má být provedena. Registr instrukcí (RI): uloží prováděnou instrukci Sekvencer a dekodér: interpretuje a provádí instrukce pomocí příkazů

Aritmeticko-logická jednotka

Určitě to poznáte podle jeho zkratky „ALU“. ALU má na starosti provádění všech aritmetických a logických výpočtů s celými čísly na úrovni bitů, tato jednotka pracuje přímo s instrukcemi (operandy) as operací, kterou jí řídící jednotka nařídila (operátor).

Operandy mohou pocházet buď z interních registrů procesoru, nebo přímo z paměti RAM, mohou být dokonce generovány v samotné ALU v důsledku jiné operace. Výstupem bude výsledek operace, což je další slovo, které bude uloženo v registru. Toto jsou jeho základní části:

• Rejstříky vstupu (REN): uchovávají v nich operandy, které mají být hodnoceny. Provozní kód: CU odešle operátorovi, aby byla operace provedena Akumulátor nebo Výsledek: výsledek operace vychází z ALU jako binární slovo Stavový registr (Vlajka): ukládá různé podmínky, které je třeba brát v úvahu během operace.

Jednotka s pohyblivou řádovou čárkou

Budete to vědět jako FPU nebo Floating Point Unit. V podstatě se jedná o aktualizaci prováděnou procesory nové generace, která se specializuje na výpočet operací s pohyblivou řádovou čárkou pomocí matematického koprocesoru. Existují jednotky, které mohou dokonce provádět trigonometrické nebo exponenciální výpočty.

V zásadě jde o adaptaci ke zvýšení výkonu procesorů v grafickém zpracování, kde výpočty, které mají být provedeny, jsou mnohem těžší a složitější než v běžných programech. V některých případech jsou funkce FPU prováděny samotnou ALU pomocí mikrokódu instrukce.

Záznamy

Dnešní procesory mají svůj vlastní úložný systém, abych tak řekl, a nejmenší a nejrychlejší jednotkou jsou registry. V zásadě jde o malý sklad, kde se ukládají zpracovávané pokyny a výsledky z nich získané.

Paměť cache

Další úrovní úložiště je mezipaměť, což je také extrémně rychlá paměť, mnohem více než paměť RAM, která je zodpovědná za ukládání pokynů, které bude procesor okamžitě použit. Nebo se alespoň pokusíte uložit pokyny, o kterých si myslíte, že budou použity, protože někdy není na výběr, ale vyžádat si je přímo z RAM.

Mezipaměť aktuálních procesorů je integrována do stejného DIE procesoru a je rozdělena do celkem tří úrovní, L1, L2 a L3:

• Mezipaměť úrovně 1 (L1): Je to nejmenší po protokolech a nejrychlejší ze tří. Každé jádro zpracování má svou vlastní mezipaměť L1, která je dále rozdělena na dvě, data L1, která je odpovědná za ukládání dat, a instrukce L1, která ukládá instrukce, které mají být provedeny. Obvykle je každá 32 kB. Mezipaměť úrovně 2 (L2) - Tato paměť je pomalejší než L2, ale také větší. Typicky má každé jádro svůj vlastní L2, který může být asi 256 KB, ale v tomto případě není přímo integrován do jádrového obvodu. Mezipaměť úrovně 3 (L3): Je to nejpomalejší ze tří, i když mnohem rychlejší než RAM. Je také umístěn mimo jádra a je distribuován mezi několik jader. To se pohybuje mezi 8 MB a 16 MB, i když ve velmi výkonných procesorech dosahuje až 30 MB.

Příchozí a odchozí autobusy

Sběrnice je komunikační kanál mezi různými prvky, které tvoří počítač. Jsou to fyzické linky, kterými oběhují data ve formě elektřiny, pokyny a všechny prvky potřebné ke zpracování. Tyto sběrnice mohou být umístěny přímo uvnitř procesoru nebo mimo něj na základní desce. V počítači jsou tři typy autobusů:

• Datová sběrnice: určitě nejjednodušší pochopení, protože je to sběrnice, skrz kterou data odesílaná a přijímaná různými součástmi cirkulují do procesoru nebo z procesoru. To znamená, že se jedná o obousměrnou sběrnici a skrze ni budou obíhat slova o délce 64 bitů, což je délka, kterou je procesor schopen zpracovat. Příkladem datové sběrnice jsou LANES nebo PCI Express Lines, které komunikují CPU s PCI sloty, například pro grafickou kartu. Adresová sběrnice: Adresová sběrnice necirkuluje data, ale adresy paměti, aby zjistila, kde jsou data uložená v paměti. RAM je jako velké datové úložiště rozděleno do buněk a každá z těchto buněk má svou vlastní adresu. Bude to procesor, který žádá paměť o data zasláním adresy paměti, tato adresa musí být stejně velká jako buňky mají paměť RAM. V současné době procesor může adresovat paměťové adresy až 64 bitů, to znamená, že bychom mohli zpracovat paměti až 2 ⁶⁴ buněk. Řídicí sběrnice: Řídicí sběrnice má na starosti správu dvou předchozích sběrnic, pomocí řídicích a časovacích signálů k synchronizovanému a efektivnímu využití všech informací, které cirkulují do nebo z procesoru. Bylo by to jako věž řízení letového provozu na letišti.

BSB, vstupní / výstupní jednotka a multiplikátor

Je důležité vědět, že současné procesory nemají tradiční FSB nebo Front Bus, které sloužily ke komunikaci CPU se zbytkem prvků základní desky, například čipovou sadou a periferiemi přes severní most a jižní most. Důvodem je, že sběrnice samotná byla vložena do CPU jako vstupní a výstupní (I / O) jednotka správy dat, která přímo komunikuje RAM s procesorem, jako by to byl starý severní most. Technologie jako HyperTransport AMD nebo HyperThreading společnosti Intel odpovídají za správu výměny informací o vysoce výkonných procesorech.

BSB nebo Back Side Bus je sběrnice, která má na starosti spojení mikroprocesoru s vlastní vyrovnávací pamětí, obvykle L2. Tímto způsobem může být přední sběrnice uvolněna z poměrně velké zátěže, čímž se rychlost mezipaměti ještě blíží rychlosti jádra.

A konečně máme multiplikátory, které jsou řadou prvků umístěných uvnitř nebo vně procesoru, které jsou zodpovědné za měření vztahu mezi CPU hodinami a hodinami externích sběrnic. V tuto chvíli víme, že CPU je prostřednictvím sběrnic spojen s prvky, jako je RAM, čipová sada a další periferie. Díky těmto multiplikátorům je možné, že frekvence CPU je mnohem rychlejší než externí sběrnice, aby bylo možné zpracovat více dat.

Například multiplikátor x10 umožní systému, který pracuje při 200 MHz, pracovat na CPU při 2000 MHz. U současných procesorů můžeme najít jednotky s odemčeným multiplikátorem, což znamená, že můžeme zvýšit jeho frekvenci a tím i rychlost zpracování. Říkáme tomu přetaktování.

IGP nebo interní grafická karta

Abychom skončili s částmi procesoru, nemůžeme zapomenout na integrovanou grafickou jednotku, kterou některé nese. Předtím, než jsme viděli, co je FPU, a v tomto případě čelíme něčemu podobnému, ale s mnohem větším výkonem, protože v podstatě jde o řadu jader schopných samostatně zpracovávat grafiku našeho týmu, což jsou pro matematické účely obrovské množství výpočtů s pohyblivou řádovou čárkou a vykreslování grafiky, které by bylo velmi náročné na procesor.

IGP funguje stejně jako externí grafická karta, ta, kterou jsme nainstalovali přes slot PCI-Express, pouze v malém měřítku nebo napájení. Říká se tomu integrovaný grafický procesor, protože se jedná o integrovaný obvod nainstalovaný ve stejném procesoru, který uvolňuje centrální jednotku této řady komplikovaných procesů. Bude to užitečné, když nemáme grafickou kartu, ale prozatím nemá srovnatelný výkon.

AMD i Intel mají jednotky, které integrují IGP do CPU, a proto se nazývají APU (Accelerated Processing Unit). Příkladem toho je téměř celé jádro Intel rodiny i, spolu s AMD Athlon a některými Ryzen.

Závěr k částem procesoru

No, dostáváme se na konec tohoto dlouhého článku, ve kterém vidíme více či méně základním způsobem, jaké jsou součásti procesoru, a to jak z vnějšího , tak z vnitřního hlediska. Pravda je, že je to velmi zajímavé téma, ale zatraceně složité a dlouhé vysvětlení, jehož podrobnosti jsou mimo pochopení téměř každého z nás, kteří nejsou ponořeni do montážních linek a výrobců tohoto typu zařízení.

Nyní vám necháme několik tutoriálů, které by pro vás mohly být zajímavé.

Pokud máte nějaké dotazy nebo chcete objasnit jakýkoli problém v článku, zveme vás, abyste jej napsali do komentářového pole. Vždy je dobré mít názor a moudrost ostatních.