▷ Što je procesor i kako radi

Danas ćemo vidjeti nešto hardvera. Naš tim sastoji se od velikog broja elektroničkih komponenti koje zajedno mogu pohranjivati ​​i obrađivati ​​podatke. Procesor, CPU ili središnja procesna jedinica glavna je komponenta. Razgovarat ćemo o tome što je procesor, koje su njegove komponente i kako detaljno funkcionira.

Spremni? Krenimo!

Sadržaj indeks

Što je procesor?

Prvo što ćemo morati definirati jest što je mikroprocesor znati sve drugo. Mikroprocesor je mozak računala ili računala, sastavljen je od integriranog kruga udubljenog u silikonski čip koji se sastoji od milijuna tranzistora. Njegova je funkcija obrada podataka, kontrola rada svih uređaja računala, barem velikog dijela njih i najvažnije: zadužena je za obavljanje logičkih i matematičkih operacija.

Ako to shvatimo, svi podaci koji kruže našim strojem električni su impulsi, sačinjeni od signala jednih i nula nazvanih bita. Svaki od ovih signala grupiran je u skup bitova koji čine upute i programe. Mikroprocesor je zadužen da ima smisla za sve to izvodeći osnovne operacije: SUM, SUBTRACT i, ILI, MUL, DIV, OPPOSITE I INVERSE. Zatim moramo mikroprocesoru:

• Dekodira i izvršava upute programa učitanih u glavnu memoriju računala. Koordinira i kontrolira sve komponente koje čine računalo i periferne uređaje koji su na njega povezani, miš, tipkovnicu, pisač, ekran itd.

Procesori su obično kvadratnog ili pravokutnog oblika i nalaze se na elementu zvanom utičnica pričvršćenom na matičnu ploču. Ovo će biti odgovorno za distribuciju podataka između procesora i ostalih elemenata koji su s njim povezani.

Arhitektura računala

U sljedećim ćemo odjeljcima vidjeti cjelokupnu arhitekturu procesora.

Von Neumannova arhitektura

Od izuma mikroprocesora do danas, oni se temelje na arhitekturi koja procesor dijeli na nekoliko elemenata koje ćemo vidjeti kasnije. To se zove arhitektura Von Neumann. To je arhitektura koju je 1945. godine izmislio matematičar Von Neumann koja opisuje dizajn digitalnog računala podijeljenog u niz dijelova ili elemenata.

Sadašnji procesori još uvijek se u velikoj mjeri temelje na ovoj osnovnoj arhitekturi, iako je logično uveden veliki broj novih elemenata dok ne budemo imali izuzetno cjelovite elemente koje danas imamo. Mogućnost više brojeva na istom čipu, memorijski elementi na različitim razinama, ugrađeni grafički procesor itd.

Unutarnji dijelovi računala

Osnovni dijelovi računala prema ovoj arhitekturi su sljedeći:

• Memorija: element je u kojem su pohranjene upute koje izvršava računalo i podaci na kojima upute rade. Ove se upute nazivaju program. Središnja procesna jedinica ili CPU: to je element koji smo prethodno definirali. Zadužena je za obradu uputa koje dolaze do nje iz memorije.Ulazna i izlazna jedinica: omogućava komunikaciju s vanjskim elementima. Autobusi za podatke: su zapisovi, vodilice ili kabeli koji fizički povezuju prethodne elemente.

Elementi mikroprocesora

Nakon što sam definirao glavne dijelove računala i shvatio kako informacije cirkuliraju kroz njega.

• Upravljačka jedinica (UC): to je element koji je zadužen za naređivanje putem upravljačkih signala, na primjer, sata. Traži upute u glavnoj memoriji i prosljeđuje ih dekoderu uputa koji se izvršavaju. Unutarnji dijelovi:
  1. Sat: generira kvadratni val za sinkronizaciju postupaka procesora Brojač programa: Sadrži memorijsku adresu sljedeće naredbe koja se izvršava Uputa upute: Sadrži upute koje trenutno izvršava Sequencer: generira elementarne naredbe za obradu pouke. Dekoder uputstva (DI): zadužen je za interpretaciju i izvršavanje uputa koje stižu, izdvajajući operativni kod upute.

• Logička aritmetička jedinica (ALU): zadužena je za izradu aritmetičkih izračuna (SUM, SUBTRAKCIJA, MULTIPLIKACIJA, DIJELJENJE) i logičke operacije (I, ILI,…). Unutarnji dijelovi.
  1. Operativni krug: sadrže multipleksere i krugove za izvođenje operacija. Registri unosa: podaci se pohranjuju i upravljaju prije ulaska u operativni krug Akumulator: pohranjuje rezultate izvršenih operacija Registar statusa (zastava): pohranjuje određene uvjete koji se moraju uzeti u obzir u sljedećim operacijama.

• Jedinica s plutajućom tačkom (FPU): Ovaj element nije bio u izvornom arhitektonskom dizajnu, kasnije je uveden kada su upute i proračuni postali složeniji s izgledom grafički predstavljenih programa. Ova je jedinica odgovorna za obavljanje operacija s pomičnim zarezom, odnosno realnih brojeva. Banka zapisa i predmemorija: Današnji procesori imaju nestabilnu memoriju koja premošćuje RAM-ove i CPU. To je mnogo brže od RAM-a i odgovorno je za ubrzavanje pristupa mikroprocesora glavnoj memoriji.

• Prednja bočna sabirnica (FSB): Poznata i kao magistrala podataka, magistrala ili sistemska magistrala. Put ili kanal komunicira mikroprocesor s matičnom pločom, točnije s čipom koji se naziva sjeverni most ili nothbridge. Ovo je odgovorno za kontrolu rada glavne CPU sabirnice, RAM-a i portova za proširenje kao što je PCI-Express. Izrazi koji se koriste za definiranje te sabirnice su "Quick Path Interconnect" za Intel i "Hypertransport" za AMD.

Izvor: sleeperfurniture.co

Izvor: ixbtlabs.com

• Stražnja BUS (BSB): ova sabirnica komunicira s predmemorijom memorije razine 2 (L2) sve dok nije integrirana u samu jezgru CPU-a. Trenutno svi mikroprocesori imaju cache memoriju ugrađenu u sam čip, tako da je ovaj sabirnik također dio istog čipa.

Dva ili više jezgrenih mikroprocesora

U istom procesoru ne samo da ćemo te elemente distribuirati iznutra, nego ćemo ih i sada replicirati. Imat ćemo nekoliko jezgara za obradu ili što je isto nekoliko mikroprocesora unutar jedinice. Svaki od njih imat će svoje predmemorije L1 i L2, a obično je L3 podijeljen između njih, u parovima ili zajedno.

Uz to imat ćemo ALU, UC, DI i FPU za svaku od jezgara, tako da se brzina i kapacitet obrade množe ovisno o broju jezgara koje ima. I unutar mikroprocesora pojavljuju se novi elementi:

• Integrirani memorijski kontroler (IMC): sada pojavom nekoliko jezgara procesor ima sustav koji vam omogućuje izravan pristup glavnoj memoriji. Integrirani GPU (iGP) - GPU upravlja s grafičkom obradom. To su uglavnom operacije s pomičnim zarezom s nizovima bita visoke gustoće, pa je obrada mnogo složenija od uobičajenih programskih podataka. Zbog toga postoje mikroprocesorski rasponi koji u njih implementiraju jedinicu koja je isključivo posvećena grafičkoj obradi.

Neki procesori, kao što je AMD Ryzen, nemaju internu grafičku karticu. Samo APU-ovi?

Rad mikroprocesora

Procesor radi po uputama, a svaka je od njih binarni kod određenog proširenja koje CPU može razumjeti.

Program je, dakle, skup uputa, a za njegovo izvršavanje on se mora izvoditi uzastopno, odnosno izvršavajući jednu od ovih uputa u svakom koraku ili razdoblju. Nekoliko faza izvršava upute:

• Pretraživanje upute: donosimo upute iz memorije u procesor Dekodiranje uputa: upute su podijeljene na jednostavnije kodove koji su razumljivi od strane CPU-a. Pretraživanje: s uputama u CPU-u morate pronaći odgovarajućeg operatora upute: izvršite potrebnu logičku ili aritmetičku operaciju Spremanje rezultata: rezultat se predmemorira

Svaki procesor radi s određenim nizom uputa koje su se razvijale zajedno s procesorima. Naziv x86 ili x386 odnosi se na skup uputa s kojima procesor radi.

Tradicionalno se 32-bitni procesori nazivaju i x86, to je zato što su u ovoj arhitekturi radili s ovim nizom uputa iz procesora Intel 80386 koji je prvi implementirao 32-bitnu arhitekturu.

Ovaj se skup uputa treba ažurirati kako bi djelovao učinkovitije i složenijim programima. Ponekad vidimo da u zahtjeve za program koji se izvodi dolazi skup akronima kao što su SSE, MMX, itd. Ovo su skup uputa s kojima se može nositi mikroprocesor. Dakle, imamo:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): Omogućili su CPU-e da rade s operacijama s pomičnim zarezom. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 itd.: Različita ažuriranja ovog skupa uputa.

Nespojivost procesora

Svi se sjećamo kada bi se operativni sustav Apple mogao pokrenuti na Windows ili Linux računalu. To je zbog vrste upute različitih procesora. Apple je koristio PowerPC procesore, koji su radili s uputama koje nisu Intel i AMD. Dakle, postoji nekoliko dizajna upute:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): to je onaj koji koriste Intel i AMD, radi se o skupu nekoliko uputa, ali složen. Veća je potrošnja resursa, što je potpunije upute koje zahtijevaju nekoliko ciklusa sata. RISC (Reduced Instruction Set Computer): to su oni koji koriste Apple, Motorola, IBM i PowerPC, ovo su učinkovitiji procesori s više uputa, ali složenim manje.

Trenutno su oba operativna sustava kompatibilna jer Intel i AMD provode kombinaciju arhitekture u svojim procesorima.

Postupak izvršenja upute

1. Procesor se ponovno pokreće kad primi RESET signal, na taj se način sustav priprema primajući signal sata koji će odrediti brzinu procesa. U registru CP-a (brojač programa) memorijska adresa na kojoj se nalazi Upravljačka jedinica (UC) izdaje naredbu da preuzme upute koje je RAM pohranila u memorijsku adresu koja se nalazi u CP-u. Tada RAM šalje podatke i nalazi se na sabirnici podataka dok koja se pohranjuje u RI (registar uputa). UC upravlja procesom i upute prelaze u dekoder (D) kako bi pronašli smisao upute. Zatim se prolazi kroz UC koji će se izvršiti. Nakon što je poznata uputa i koja se operacija izvodi, oba se učitavaju u ALU ulazne registre (REN). ALU izvršava operaciju i rezultat stavlja u sabirnica podataka i CP dodaje se 1 za izvršavanje sljedeće upute.

Kako znati je li procesor dobar

Da bismo znali je li mikroprocesor dobar ili loš, moramo pogledati svaku njegovu unutarnju komponentu:

Širina sabirnice

Širina sabirnice određuje veličinu registra koji mogu kružiti kroz nju. Ta širina mora odgovarati veličini registara procesora. Na ovaj način imamo da širina sabirnice predstavlja najveći registar koji je sposoban za prijevoz u jednoj operaciji.

Izravno povezana sa sabirnicom bit će i RAM memorija, ona mora biti u mogućnosti pohraniti svaki od tih registara širinom koju imaju (to se naziva širina riječi memorije).

Ono što trenutno imamo kada je širina sabirnice 32 bita ili 64 bita, to jest da možemo istovremeno transportirati, skladištiti i obrađivati ​​lance od 32 ili 64 bita. S 32 bita koji svaki može biti 0 ili 1 možemo se obratiti na količinu memorije od 2 ³² (4 GB) i sa 64 bita 16 16 EB Exabajta. To ne znači da na našem računalu imamo 16 exabajta memorije, već predstavlja mogućnost upravljanja i korištenja određene količine memorije. Otuda poznato ograničenje 32-bitnih sustava za obradu samo 4 GB memorije.

Ukratko, što je autobus širi, to je veći radni kapacitet.

Cache memory

Ove su memorije mnogo manje od RAM-a, ali mnogo brže. Njegova je funkcija pohranjivanje uputa koje će se tek obraditi ili posljednje obrađivati. Što je više keš memorije, veća je brzina transakcije koju CPU može podići i ispustiti.

Ovdje moramo biti svjesni da sve što dođe do procesora dolazi s tvrdog diska, a to se može reći da je strašno sporije od RAM-a, a još više od keš memorije. Iz tog razloga ova su memorija na čvrstom stanju dizajnirana kako bi se riješilo veliko usko grlo koje je tvrdi disk.

A mi ćemo se zapitati, zašto onda oni ne proizvode samo velike predmemorije, odgovor je jednostavan, jer su oni vrlo skupi.

Unutarnja brzina procesora

Brzina interneta gotovo uvijek je najupečatljivija kada se gleda procesor. "Procesor radi na 3, 2 GHz", ali što je to? Brzina je frekvencija takta na kojoj mikroprocesor radi. Što je ta brzina veća, to će više operacija po jedinici vremena biti moguće obavljati. To znači veće performanse, zato postoji cache memorija, koja ubrzava procesor za prikupljanje podataka i uvijek obavlja maksimalan broj operacija po jedinici vremena.

Ova frekvencija takta daje periodični kvadratni valni signal. Maksimalno vrijeme za operaciju je jedno razdoblje. Period je obrnut od frekvencije.

Ali nije sve brzina. Postoje mnoge komponente koje utječu na brzinu procesora. Ako primjerice imamo četverojezgreni procesor na 1, 8 GHz i još jedan jednojezgreni na 4, 0 GHz, sigurno je da je četverojezgrenji brži.

Brzina autobusa

Kao što je brzina procesora važna, brzina sabirnice podataka je također važna. Matična ploča uvijek radi na znatno nižoj takt frekvenciji od mikroprocesora, pa će nam trebati multiplikator koji prilagođava ove frekvencije.

Na primjer, ako imamo matičnu ploču s magistralom na takt frekvenciji 200 MHz, 10x množitelj će dostići frekvenciju CPU-a od 2 GHz.

mikroarhitekturi

Mikroarhitektura procesora određuje broj tranzistora po jedinici udaljenosti u njemu. Ova se jedinica trenutno mjeri u nm (nanometrima) što je ona manja, to se veći broj tranzistora može uvesti i, stoga, može se smjestiti veći broj elemenata i integriranih krugova.

To izravno utječe na potrošnju energije, manji uređaji će trebati manje protoka elektrona, tako da će biti potrebno manje energije za obavljanje istih funkcija kao u većoj mikroarhitekturi.

Izvor: intel.es

Hlađenje komponenata

Zbog ogromne brzine koju je postigao CPU, trenutni protok stvara toplinu. Što je veća frekvencija i napon, to će biti veća generacija topline, stoga je potrebno rashladiti ovu komponentu. Postoji nekoliko načina za to:

• Pasivno hlađenje: pomoću metalnih raspršivača (bakra ili aluminija) koji pomoću peraja povećavaju površinu dodira sa zrakom. Aktivno hlađenje : Osim hladnjaka, postavljen je i ventilator koji osigurava prisilni protok zraka između rebara pasivnog elementa.

• Tekuće hlađenje: sastoji se od kruga kojeg čine pumpa i rebrasti radijator. Voda cirkulira kroz blok smješten u CPU-u, tekući element sakuplja generiranu toplinu i prenosi je do radijatora, koji pomoću prisilne ventilacije raspršuje toplinu, ponovno snižavajući temperaturu tekućine.

Neki procesori uključuju hladnjak. Obično to nisu velike stvari…, ali služe za pokretanje i pokretanje računala, te ga istovremeno poboljšati

• Hlađenje pomoću toplinskih cijevi: sustav se sastoji od zatvorenog kruga bakrenih ili aluminijskih cijevi napunjenih tekućinom. Ta tekućina skuplja toplinu iz CPU-a i isparava uzdižući se do vrha sustava. U ovom se trenutku nalazi rebrasti hladnjak koji izmjenjuje toplinu tekućine iznutra u vanjski zrak, te se na taj način fluid kondenzira i spušta natrag u CPU blok.

Preporučujemo

Ovim zaključujemo naš članak o tome što je procesor i kako detaljno radi. Nadamo se da vam se svidjelo.