▷ Co je procesor a jak to funguje

Dnes uvidíme nějaký hardware. Náš tým se skládá z velkého počtu elektronických součástek, které jsou společně schopny ukládat a zpracovávat data. Jeho hlavní součástí je procesor, procesor nebo centrální procesorová jednotka. Budeme mluvit o tom, co je procesor, jaké jsou jeho komponenty a jak to funguje detailně.

Jste připraveni? Začněme!

Index obsahu

Co je procesor?

První věc, kterou budeme muset definovat, je to, co mikroprocesor zná vše ostatní. Mikroprocesor je mozek počítače nebo počítače, je tvořen integrovaným obvodem zapouzdřeným do křemíkového čipu, který je tvořen miliony tranzistorů. Jeho funkcí je zpracování dat, řízení provozu všech zařízení počítače, alespoň jejich velká část, a co je nejdůležitější: je zodpovědný za provádění logických a matematických operací.

Pokud si to uvědomíme, všechna data, která cirkulují v našem stroji, jsou elektrické impulsy, tvořené signály z nich a nulami zvanými bity. Každý z těchto signálů je seskupen do sady bitů, které tvoří instrukce a programy. Mikroprocesor má na starosti smysl toho všeho prováděním základních operací: SUM, SUBTRACT AND AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE AND INVERSE. Pak musíme k mikroprocesoru:

• Dekóduje a provádí pokyny programů načtených v hlavní paměti počítače. Koordinuje a ovládá všechny komponenty, které tvoří počítač a periferní zařízení, které jsou k němu připojeny, myš, klávesnici, tiskárnu, obrazovku atd.

Procesory jsou v současné době obvykle čtvercového nebo obdélníkového tvaru a jsou umístěny na prvku zvaném soket připojený k základní desce. To bude odpovědné za distribuci dat mezi procesorem a ostatními prvky k němu připojenými.

Architektura počítače

V následujících sekcích uvidíme celou architekturu procesoru.

Von Neumannova architektura

Od vynálezu mikroprocesorů až do současnosti jsou založeny na architektuře, která rozděluje procesor na několik prvků, které uvidíme později. Tomu se říká Von Neumannova architektura. Je to architektura vynalezená v roce 1945 matematikem Von Neumannem, který popisuje design digitálního počítače rozděleného do řady částí nebo prvků.

Současné procesory jsou stále z velké části založeny na této základní architektuře, ačkoli logicky bylo zavedeno velké množství nových prvků, dokud nebudeme mít extrémně úplné prvky, které máme dnes. Možnost více čísel na stejném čipu, paměťové prvky na různých úrovních, vestavěný grafický procesor atd.

Vnitřní části počítače

Základní části počítače podle této architektury jsou následující:

• Paměť: je prvek, ve kterém jsou uloženy pokyny, které počítač provádí, a data, na kterých tyto pokyny fungují. Tyto pokyny se nazývají program. Centrální procesorová jednotka nebo procesor: je to prvek, který jsme dříve definovali. Je zodpovědný za zpracování pokynů, které k němu přicházejí z paměti Vstupní a výstupní jednotka: umožňuje komunikaci s externími prvky. Datové sběrnice: jsou stopy, stopy nebo kabely, které fyzicky spojují předchozí prvky.

Prvky mikroprocesoru

Po definování hlavních částí počítače a pochopení toho, jak v něm cirkulují informace.

• Řídicí jednotka (UC): je to prvek, který má na starosti vydávání příkazů prostřednictvím řídicích signálů, například hodin. Vyhledává instrukce v hlavní paměti a předává je dekodéru instrukcí k provedení. Vnitřní části:
  1. Hodiny: Generuje čtvercovou vlnu pro synchronizaci operací procesoru. Čítač programu: Obsahuje adresu paměti další instrukce, která má být provedena. Záznam instrukcí: Obsahuje instrukci, která je aktuálně prováděna Sekvencer: Generuje elementární příkazy pro zpracování instrukce. Dekodér instrukcí (DI): má na starosti interpretaci a provádění instrukcí, které přicházejí, extrahování operačního kódu instrukce.

• Logická aritmetická jednotka (ALU): odpovídá za provádění aritmetických výpočtů (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) a logických operací (AND, OR,…). Vnitřní části.
  1. Provozní obvod: obsahují multiplexery a obvody pro provádění operací. Registry vstupu: data jsou uložena a provozována před vstupem do provozního okruhu Akumulátor: ukládá výsledky provedených operací Stavový registr (Flag): ukládá určité podmínky, které musí být vzaty v úvahu při následných operacích.

• Jednotka s pohyblivou řádovou čárkou (FPU): Tento prvek nebyl v původním architektonickém návrhu, později byl představen, když se instrukce a výpočty staly složitější se vzhledem graficky znázorněných programů. Tato jednotka je zodpovědná za provádění operací s pohyblivou řádovou čárkou, tj. Reálných čísel. Record Bank and Cache: Dnešní procesory mají volatilní paměť, která přemosťuje RAM z CPU. Toto je mnohem rychlejší než RAM a je odpovědné za urychlení přístupu mikroprocesoru k hlavní paměti.

• Front Side Bus (FSB): Také známý jako datová sběrnice, hlavní sběrnice nebo systémová sběrnice. Je to cesta nebo kanál, který komunikuje mikroprocesor se základní deskou, konkrétně s čipem nazývaným severní most nebo nothbridge. Toto je zodpovědné za řízení provozu hlavní sběrnice CPU, RAM a rozšiřujících portů, jako je PCI-Express. Termíny používané k definování této sběrnice jsou „Quick Path Interconnect“ pro Intel a „Hypertransport“ pro AMD.

Zdroj: sleeperfurniture.co

Zdroj: ixbtlabs.com

• Zadní strana BUS (BSB): tato sběrnice komunikuje s vyrovnávací pamětí úrovně 2 (L2) s procesorem, pokud není integrována do samotného jádra CPU. V současné době mají všechny mikroprocesory vestavěnou paměť cache do samotného čipu, takže tato sběrnice je také součástí stejného čipu.

Dva nebo více jádrových mikroprocesorů

Ve stejném procesoru nejenže budeme tyto prvky distribuovat uvnitř, ale nyní se replikují. Budeme mít několik procesorových jader nebo co je stejné několik mikroprocesorů uvnitř jednotky. Každý z nich bude mít svou vlastní mezipaměť L1 a L2, obvykle je mezi nimi L3 sdílena, v párech nebo společně.

Kromě toho budeme mít ALU, UC, DI a FPU pro každé jádro, takže rychlost a kapacita zpracování se násobí v závislosti na počtu jader, která má. Uvnitř mikroprocesorů se objevují také nové prvky:

• Integrovaný řadič paměti (IMC): Nyní se vzhledem k několika jádrům má procesor systém, který umožňuje přímý přístup k hlavní paměti. Integrated GPU (iGP) - GPU zpracovává grafické zpracování. Jedná se většinou o operace s pohyblivou řádovou čárkou s bitovými řetězci o vysoké hustotě, takže zpracování je mnohem složitější než normální programová data. Z tohoto důvodu jsou v nich mikroprocesorové rozsahy, které v nich implementují jednotku výlučně určenou pro grafické zpracování.

Některé procesory, například AMD Ryzen, nemají interní grafickou kartu. Jen vaše APU?

Provoz mikroprocesoru

Procesor pracuje podle instrukcí, každá z těchto instrukcí je binární kód určité rozšíření, kterému je CPU schopna porozumět.

Program je tedy souborem instrukcí a pro jeho provedení musí být prováděn postupně, to znamená, provádění jedné z těchto instrukcí v každém kroku nebo časovém období. K provedení instrukce existuje několik fází:

• Hledání instrukcí: přivedeme instrukci z paměti do procesoru Dekódování instrukcí: instrukce je rozdělena na jednodušší kódy srozumitelné pro CPU Operované vyhledávání: s instrukcí načtenou v CPU musíte najít odpovídajícího operátora instrukce: provést nezbytnou logickou nebo aritmetickou operaci Uložení výsledku: výsledek je uložen do mezipaměti

Každý procesor pracuje s určitou sadou instrukcí, které se vyvíjely společně s procesory. Název x86 nebo x386 odkazuje na sadu instrukcí, se kterými procesor pracuje.

Tradičně se 32bitové procesory nazývají také x86, protože v této architektuře pracovali s touto sadou instrukcí z procesoru Intel 80386, který jako první implementoval 32bitovou architekturu.

Tato sada pokynů musí být aktualizována, aby fungovala efektivněji a se složitějšími programy. Někdy vidíme, že v požadavcích na spuštění programu přichází sada zkratek jako SSE, MMX atd. Toto jsou sady pokynů, kterými se může mikroprocesor vypořádat. Máme tedy:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): Umožňují procesorům pracovat s operacemi s pohyblivou řádovou čárkou. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 atd.: Různé aktualizace této sady pokynů.

Nekompatibilita procesoru

Všichni si pamatujeme, kdy by operační systém Apple mohl běžet na počítači se systémem Windows nebo Linux. Je to kvůli typu pokynů od různých zpracovatelů. Apple použil procesory PowerPC, které pracovaly s jinými instrukcemi než Intel a AMD. Existuje tedy několik návrhů instrukcí:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): je to ten, který používají Intel a AMD, jedná se o použití souboru několika pokynů, ale složitých. Mají vyšší spotřebu zdrojů, jsou úplnější pokyny, které vyžadují několik hodinových cyklů. RISC (Reduced Instruction Set Computer): je to ten, který používají Apple, Motorola, IBM a PowerPC, jedná se o účinnější procesory s více instrukcemi, ale s menší složitostí.

V současné době jsou oba operační systémy kompatibilní, protože Intel a AMD implementují do svých procesorů kombinaci architektur.

Proces provádění pokynů

1. Procesor se restartuje, když přijímá signál RESET, tímto způsobem se systém připravuje přijetím hodinového signálu, který určí rychlost procesu. V registru CP (čítač programu) adresa paměti, na které Řídicí jednotka (UC) vydá příkaz k načtení instrukce, kterou RAM uložila na paměťovou adresu, která je v CP. Poté RAM odešle data a umístí se na datovou sběrnici, dokud UC řídí proces a instrukce předává dekodéru (D), aby našel význam instrukce. To pak prochází UC, který má být proveden. Jakmile je známo, co je instrukce a jaká operace má být provedena, oba jsou načteny do vstupních registrů ALU (REN). ALU provede operaci a umístí výsledek do datová sběrnice a CP se přidají 1 pro provedení následující instrukce.

Jak zjistit, zda je procesor dobrý

Abychom věděli, zda je mikroprocesor dobrý nebo špatný, musíme se podívat na každou jeho vnitřní složku:

Šířka sběrnice

Šířka sběrnice určuje velikost registrů, které mohou cirkulovat skrz ni. Tato šířka musí odpovídat velikosti registrů procesorů. Tímto způsobem máme, že šířka sběrnice představuje největší registr, který je schopen transportovat v jediné operaci.

Přímo související s touto sběrnicí bude také paměť RAM, musí být schopen ukládat každý z těchto registrů se šířkou, kterou mají (to se nazývá šířka paměťového slova).

Co máme v současné době, když je šířka sběrnice 32 bitů nebo 64 bitů, to znamená, že můžeme současně přepravovat, ukládat a zpracovávat řetězce o 32 nebo 64 bitech. S 32 bity, z nichž každý má možnost být 0 nebo 1, můžeme adresovat množství paměti 2 ³² (4 GB) a se 64 bity 16 EB Exabytů. To neznamená, že v našem počítači máme 16 Exabajtů paměti, ale spíše to představuje schopnost spravovat a používat určité množství paměti. Z tohoto důvodu slavné omezení 32-bitových systémů řešit pouze 4 GB paměti.

Stručně řečeno, čím širší autobus, tím více pracovní kapacity.

Paměť cache

Tyto vzpomínky jsou mnohem menší než RAM, ale mnohem rychlejší. Jeho funkcí je ukládat instrukce, které budou právě zpracovány nebo poslední zpracovány. Čím více paměti cache, tím vyšší je rychlost transakce, kterou může CPU zvednout a klesnout.

Zde si musíme být vědomi toho, že vše, co se dostane k procesoru, pochází z pevného disku, a to lze říci, že je nesmírně pomalejší než RAM a ještě více než vyrovnávací paměť. Z tohoto důvodu byly tyto polovodičové vzpomínky navrženy k vyřešení velkého úzkého hrdla, kterým je pevný disk.

A zeptáme se sami sebe, proč tedy nejen vyrábějí velké cache, odpověď je jednoduchá, protože jsou velmi drahé.

Interní rychlost procesoru

Rychlost internetu je při pohledu na procesor téměř vždy nejvýraznější. „Procesor běží na 3, 2 GHz, “ ale co je to? Rychlost je taktovací frekvence, při které mikroprocesor pracuje. Čím vyšší je tato rychlost, tím více operací za jednotku času bude moci provádět. To se promítá do vyššího výkonu, proto existuje mezipaměť, aby se urychlil sběr dat procesorem, aby se vždy provádělo maximální počet operací za jednotku času.

Tato taktovací frekvence je dána periodickým signálem čtvercové vlny. Maximální doba pro provedení operace je jedna perioda. Období je inverzní frekvence.

Ale ne všechno je rychlost. Existuje mnoho komponent, které ovlivňují rychlost procesoru. Pokud máme například čtyřjádrový procesor při 1, 8 GHz a další jednojádrový při 4, 0 GHz, je jisté, že čtyřjádrový procesor je rychlejší.

Rychlost autobusu

Stejně jako je důležitá rychlost procesoru, je také důležitá rychlost datové sběrnice. Základní deska vždy pracuje s mnohem nižší frekvencí hodin než mikroprocesor, proto potřebujeme multiplikátor, který tyto frekvence upravuje.

Pokud máme například základní desku se sběrnicí s taktovací frekvencí 200 MHz, multiplikátor 10x dosáhne CPU frekvence 2 GHz.

Mikroarchitektura

Mikroarchitektura procesoru určuje počet tranzistorů na jednotku vzdálenosti v něm. Tato jednotka je v současné době měřena v nm (nanometry), čím menší je, tím větší počet tranzistorů může být zaveden, a proto může být přizpůsoben větší počet prvků a integrovaných obvodů.

To přímo ovlivňuje spotřebu energie, menší zařízení budou potřebovat menší tok elektronů, takže k provádění stejných funkcí jako ve větší mikroarchitektuře bude zapotřebí méně energie.

Zdroj: intel.es

Chlazení součástí

Vzhledem k enormní rychlosti dosahované procesorem generuje aktuální tok teplo. Čím vyšší bude frekvence a napětí, tím větší bude výroba tepla, proto je nutné tuto součást chladit. Existuje několik způsobů, jak toho dosáhnout:

• Pasivní chlazení: pomocí kovových rozptylovačů (mědi nebo hliníku), které zvyšují povrch kontaktu se vzduchem pomocí žeber. Aktivní chlazení : Kromě chladiče je také umístěn ventilátor, který zajišťuje nucené proudění vzduchu mezi žebry pasivního prvku.

• Kapalinové chlazení: sestává z okruhu tvořeného čerpadlem a žebrovaným radiátorem. Voda cirkuluje blokem umístěným v procesoru, tekutý prvek shromažďuje generované teplo a přenáší jej do radiátoru, který pomocí nuceného větrání odvádí teplo a opět snižuje teplotu kapaliny.

Některé procesory zahrnují chladič. Normálně to není moc… ale slouží k tomu, aby se počítač uvedl do provozu a vylepšil

• Chlazení pomocí Heatpipe: systém se skládá z uzavřeného okruhu měděných nebo hliníkových trubic naplněných tekutinou. Tato tekutina shromažďuje teplo z CPU a odpařuje se stoupající k horní části systému. V tomto bodě je žebrový chladič, který vyměňuje teplo tekutiny zevnitř na vnější vzduch, čímž tekutina kondenzuje a klesá zpět dolů do bloku CPU.

Doporučujeme

Tím se uzavírá náš článek o tom, co je procesor a jak detailně funguje. Doufáme, že se vám to líbilo.