▷ Deli procesorja zunaj in znotraj: osnovni pojmi?

Zagotovo vsi približno vemo, kaj je procesor, toda ali res vemo, kakšni so deli procesorja ? Vsak od glavnih, ki so potrebni za ta majhen kvadrat silikona, da bi lahko obdelal velike količine informacij, da bi lahko človeštvo premaknil v obdobje, v katerem bi bil brez elektronskih sistemov popoln razplet.

Predelovalci so že del našega vsakdana, zlasti ljudi, ki so se rodili v zadnjih 20 letih. Številni so postali popolnoma pomešani s tehnologijo, da ne omenjam malčkov, ki pametni telefon prinesejo pod roke namesto štruce… V vseh teh napravah je skupen element, imenovan procesor, ki je odgovoren za to, da "inteligenco" da stroji okoli nas. Če tega elementa ne bi bilo, tudi računalnikov, mobilnih telefonov, robotov in montažnih vodov ne bi imeli, skratka, vsi bi imeli dela… toda do mesta, kjer smo jih naredili, bi bilo nemogoče, še vedno ni sveta, kot je "Matrix", ampak vse bo šlo.

Kazalo vsebine

Kaj je procesor in zakaj je tako pomemben

Najprej se moramo zavedati, da nima samo računalnik procesor v sebi. Vse elektronske naprave imajo v sebi element, ki deluje kot procesor, naj bo to digitalna ura, programirljivi avtomat ali pametni telefon.

Seveda pa se moramo zavedati, da so procesorji, odvisno od svojih zmogljivosti in tega, kar izdelujejo, lahko bolj ali manj zapleteni, od preprostega izvajanja zaporedja binarnih kod do prižge LED plošče, do ravnanja z ogromnimi količinami informacije, vključno z učenjem od njih (strojno učenje in umetna inteligenca).

CPU ali centralna procesna enota v španščini je elektronsko vezje, ki lahko izvaja naloge in navodila v programu. Ta navodila so zelo poenostavljena in vsebujejo osnovne aritmetične izračune (seštevanje, odštevanje, množenje in deljenje), logične operacije (AND, ALI NE, NOR, NAND) in nadzor vhoda / izhoda (I / O). naprav.

Nato je procesor element, ki je zadolžen za izvajanje vseh operacij, ki tvorijo navodila programa. Če se postavimo na stališče stroja, se te operacije reducirajo na enostavne verige ničel in enote, ki se imenujejo biti in predstavljajo trenutno / trenutno stanje, tako da tvorijo binarne logične strukture, ki jih je sposoben celo človek. razumeti in programirati v strojni kodi, sestavljavcu ali prek programskega jezika višje ravni.

Tranzistorji, krivci vsega

Procesorjev ne bi bilo, vsaj tako majhnih, če ne bi bilo tranzistorjev. So osnovna enota vsakega procesorja in integriranega vezja. Je polprevodniška naprava, ki zapre ali odpre električni tokokrog ali ojača signal. Na ta način lahko ustvarimo eno in ničle, dvojiški jezik, ki ga razume CPU.

Ti tranzistorji so se začeli kot vakuumski ventili, ogromne naprave, podobne žarnicam, ki lahko izvajajo tranzistorjeve lastne komutacije, vendar z mehanskimi elementi v vakuumu. Računalniki, kot sta ENIAC ali EDVAC, so imeli namesto tranzistorjev vakuumske ventile in so bili neizmerno veliki in so praktično porabili energijo majhnega mesta. Ti stroji so bili prvi z Von Neumannovo arhitekturo.

Toda v petdesetih do šestdesetih letih prejšnjega stoletja so se začeli ustvarjati prvi tranzistorski procesorji - pravzaprav je bil to IBM leta 1958, ko je z IBM 7090 ustvaril svoj prvi polprevodniški tranzistorski stroj. Od takrat je bila evolucija spektakularna, so proizvajalci, kot sta Intel in poznejši AMD, začeli ustvarjati prve procesorje za namizne računalnike, ki so implementirali revolucionarno arhitekturo x86, zahvaljujoč se CPU Intel 8086. Pravzaprav tudi danes naši namizni procesorji temeljijo na tej arhitekturi, kasneje bomo videli dele procesorja x86.

Po tem je arhitektura začela postajati vse bolj zapletena, z manjšimi čipi in tudi s prvo uvedbo več jeder v notranjosti, nato pa s jedri, posebej namenjenimi za grafično obdelavo. Celo ultra hitre pomnilniške banke, imenovane pomnilnik predpomnilnika in povezovalni vodnik z glavnim pomnilnikom, RAM, so bile predstavljene znotraj teh majhnih čipov.

Zunanji deli procesorja

Po tem kratkem pregledu zgodovine procesorjev, dokler nismo v današnjem času, bomo videli, kakšne zunanje elemente ima trenutni procesor. Govorimo o fizičnih elementih, ki se jih lahko dotaknemo in ki so na pogled uporabnika. To nam bo pomagalo bolje razumeti fizične potrebe in povezljivost procesorja.

Vtičnica

Vtičnica ali vtičnica CPU je elektromehanski sistem, ki je pritrjen na matični plošči in je odgovoren za povezovanje procesorja z drugimi elementi na plošči in računalniku. Na trgu je več osnovnih tipov vtičnic in tudi z več različnimi konfiguracijami. V vašem imenu ali poimenovanju so trije elementi, zaradi katerih bomo razumeli, o katerem govorimo:

Proizvajalec je lahko osebni računalnik Intel ali AMD, to je nekaj preprostega za razumevanje. Glede vrste povezave imamo tri različne vrste:

• LGA: (mrežna kontaktna matrika) pomeni, da so kontaktni zatiči nameščeni v sami vtičnici, medtem ko ima CPU samo ravno kontaktno matriko. PGA: (mrežna matica zatičev), ravno obratno kot prejšnji, procesor ima zatiče, vtičnico pa luknje, da jih vstavite. BGA: (matrična mreža), v tem primeru je procesor neposredno spojen na matično ploščo.

Kar zadeva zadnjo številko, določa vrsto distribucije ali število priključnih zatičev, ki jih ima CPU z vtičnico. Ogromno jih je tako v Intelu kot v AMD-ju.

Podlaga

Podlaga je v bistvu PCB, kjer je nameščen silicijev čip, ki vsebuje elektronsko vezje jeder, imenovano DIE. Današnji procesorji imajo lahko več kot enega od teh elementov nameščenih posebej.

Toda tudi ta majhen PCB vsebuje celotno matrico priključnih zatičev z vtičnico matične plošče, skoraj vedno pozlačen za izboljšanje prenosa električne energije in z zaščito pred preobremenitvami in trenutnimi sunki v obliki kondenzatorjev.

DIE

DIE je ravno kvadrat ali čip, ki vsebuje vse integrirano vezje in notranje komponente procesorja. Vizualno je videti kot majhen črni element, ki štrli iz podlage in vzpostavlja stik z elementom za odvajanje toplote.

Ker je celoten sistem obdelave znotraj njega, DIE doseže neverjetno visoke temperature, zato ga morajo zaščititi drugi elementi.

IHS

Imenuje se tudi DTS ali integrirani toplotni difuzor, njegova funkcija pa je, da zajame vso temperaturo procesorskih jeder in ga prenese na hladilnik, ki ga ima ta element. Narejena je iz bakra ali aluminija.

Ta element je plošča ali enkapsulacija, ki zaščiti DIE od zunaj in je lahko z njo v neposrednem stiku s toplotno pasto ali neposredno varjena. V igralni opremi po meri uporabniki odstranijo ta IHS in tako postavijo toplotne črke neposredno v stik z DIE s pomočjo termične paste v tekoči kovinski spojini. Ta proces se imenuje Delidding in njegov namen je bistveno izboljšati temperature procesorja.

Hladilnik

Končni element, ki je odgovoren, da zajame čim več toplote in jo prenese v ozračje. So majhni ali veliki bloki iz aluminija in bakrene osnove, opremljeni z ventilatorji, ki pomagajo ohladiti celotno površino s prisilnim zračnim tokom skozi plavuti.

Vsak računalniški procesor potrebuje hladilno napravo za delovanje in ohranjanje svojih temperatur pod nadzorom.

To so zunanji deli procesorja, zdaj pa si bomo ogledali najbolj tehnični del, njegove notranje komponente.

Von Neumannova arhitektura

Današnji računalniki temeljijo na arhitekturi Von Neumanna, ki je bil matematik, zadolžen za življenje prvih računalnikov v zgodovini leta 1945, veste, ENIAC in drugih velikih prijateljev. Ta arhitektura je v bistvu način distribucije elementov ali komponent računalnika, tako da je mogoče njegovo delovanje. Sestavljen je iz štirih osnovnih delov:

• Programski in podatkovni pomnilnik: je element, v katerem so shranjena navodila, ki jih je treba izvajati v procesorju. Sestavljen je iz pomnilniških ali trdih diskov, RAM-a z naključnim dostopom in programov, ki vsebujejo sama navodila. Centralna procesna enota ali CPU: to je procesor, enota, ki nadzoruje in obdeluje vse informacije, ki prihajajo iz glavnega pomnilnika in vhodnih naprav. Vhodno-izhodna enota: omogoča komunikacijo s perifernimi napravami in komponentami, ki so povezane s centralno enoto. Fizično bi jih lahko prepoznali kot reže in vrata matične plošče. Podatkovne vodila: so gosenice, gosenice ali kabli, ki fizično povezujejo elemente, v CPU-ju pa so razdeljeni na krmilno vodilo, podatkovno vodilo in naslovno vodilo.

Večjedrni procesorji

Preden začnemo naštevati notranje komponente procesorja, je zelo pomembno vedeti, kakšna so jedra procesorja in njihova funkcija v njem.

Jedro procesorja je integrirano vezje, ki je odgovorno za izvedbo potrebnih izračunov z informacijami, ki potekajo skozi njega. Vsak procesor deluje z določeno frekvenco, merjeno v MHz, kar kaže na število operacij, ki jih je sposoben izvesti. No, trenutni procesorji nimajo le jedra, ampak jih je več, vsi z istimi notranjimi komponentami in sposobni izvajati in reševati navodila hkrati v vsakem taktu takta.

Torej, če lahko jedrni procesor v enem ciklu izvede eno navodilo, če ga je imelo 6, lahko v tem ciklu izvede 6 teh navodil. To je dramatična nadgradnja zmogljivosti in ravno to počnejo današnji procesorji. A nimamo samo jeder, ampak tudi obdelovalne niti, ki so kot nekakšna logična jedra, skozi katera krožijo niti programa.

Obiščite naš članek o: kakšne so niti procesorja? Razlike z jedri, če želite vedeti več o tej temi.

Notranji deli procesorja (x86)

Obstaja veliko različnih arhitektur in konfiguracij mikroprocesorjev, toda tista, ki nas zanima, je tista, ki je znotraj naših računalnikov, in to je nedvomno tista, ki dobi ime x86. Lahko bi videli neposredno fizično ali shematično, da bi bilo nekoliko bolj jasno, vedite, da je vse to znotraj DIE.

Upoštevati moramo, da bodo krmilna enota, aritmetično-logična enota, registri in FPU prisotni v vseh procesorskih jedrih.

Poglejmo najprej glavne notranje komponente:

Krmilna enota

V angleščini imenovan Conrol Unit ali CU je zadolžen za usmerjanje delovanja procesorja. To stori tako, da RAM-u, aritmetično-logični enoti ter vhodno-izhodnim napravam izda ukaze v obliki kontrolnih signalov, tako da znajo upravljati informacije in navodila, poslana procesorju. Na primer, zbirajo podatke, izvajajo izračune in shranjujejo rezultate.

Ta enota zagotavlja, da ostali sestavni deli delujejo v sinhronizaciji s pomočjo taktnih in časovnih signalov. Skoraj vsi procesorji imajo to enoto v sebi, toda recimo, da je zunaj tistega, kar je jedro same obdelave. V njem lahko ločimo naslednje dele:

• Ura (CLK): odgovoren je za generiranje kvadratnega signala, ki sinhronizira notranje komponente. Obstajajo še druge ure, ki skrbijo za to sinhronijo med elementi, na primer množitelj, ki jih bomo videli kasneje. Programski števec (CP): vsebuje pomnilniški naslov naslednjega navodila, ki ga je treba izvesti. Register navodil (RI): shrani navodilo, ki se izvaja Sequencer in Decoder: interpretira in izvaja navodila prek ukazov

Aritmetično-logična enota

To boste zagotovo poznali po akronimu "ALU". ALU je odgovoren za izvajanje vseh aritmetičnih in logičnih izračunov s celimi števili na ravni bitov, ta enota deluje neposredno z navodili (operandi) in z delom, ki mu ga je upravljalska enota naročila (operater).

Operandi lahko prihajajo bodisi iz notranjih registrov procesorja bodisi neposredno iz pomnilnika RAM, lahko se celo ustvarijo v samem ALU kot posledica druge operacije. Rezultat tega bo rezultat operacije, saj bo to še ena beseda, ki bo shranjena v registru. To so njegovi osnovni deli:

• Vhodni registri (REN): v njih hranijo operande, ki jih je treba oceniti. Koda delovanja: CU pošlje operaterja, da bo operacijo izvedel Akumulator ali rezultat: rezultat operacije izide iz ALU kot binarna beseda Register stanja (zastava): shrani različne pogoje, ki jih je treba upoštevati med operacijo.

Enota s plavajočo točko

Poznali ga boste kot enoto FPU ali Floating Point Unit. V bistvu gre za posodobitev procesorjev nove generacije, ki je specializirana za izračun operacij s plavajočo vejico z uporabo matematičnega koprocesorja. Obstajajo enote, ki lahko izvajajo celo trigonometrične ali eksponentne izračune.

V bistvu gre za prilagoditev za povečanje učinkovitosti procesorjev v grafični obdelavi, kjer so izračuni, ki jih je treba opraviti, veliko težji in bolj zapleteni kot v običajnih programih. V nekaterih primerih funkcije FPU izvaja ALU sam z uporabo mikrokodne navodila.

Zapisi

Današnji procesorji imajo svoj sistem za shranjevanje, tako rekoč, najmanjša in najhitrejša enota pa so registri. V osnovi gre za majhno skladišče, kjer so shranjena navodila, ki se obdelujejo, in rezultati, dobljeni iz njih.

Predpomnilnik

Naslednja raven pomnilnika je predpomnilnik, ki je tudi izjemno hiter pomnilnik, veliko več kot pomnilnik RAM, ki je odgovoren za shranjevanje navodil, ki jih bo procesor takoj uporabil. Ali pa boste vsaj poskušali shraniti navodila, za katera menite, da bodo uporabljena, saj včasih ni druge izbire, kot da jih zahtevate neposredno iz RAM-a.

Predpomnilnik trenutnih procesorjev je integriran v isti DIE procesorja in je razdeljen na skupno tri stopnje, L1, L2 in L3:

• Predpomnilnik 1. stopnje (L1): je najmanjši po dnevnikih in najhitrejši od treh. Vsako jedro obdelave ima svoj predpomnilnik L1, ki je razdeljen na dva, podatke L1, ki so odgovorni za shranjevanje podatkov, in navodilo L1, ki shranjuje navodila za izvedbo. Običajno je 32KB vsak. Predpomnilnik stopnje 2 (L2) - Ta pomnilnik je počasnejši od L2, a tudi večji. Običajno ima vsako jedro svoj L2, ki lahko znaša približno 256 KB, vendar v tem primeru ni neposredno integriran v jedro vezja. Predpomnilnik ravni 3 (L3): je najpočasnejši od treh, čeprav precej hitrejši od RAM-a. Nahaja se tudi izven jeder in je razporejen med več jeder. Obsega med 8 MB in 16 MB, čeprav v zelo zmogljivih procesorjih doseže do 30 MB.

Vhodni in odhodni avtobusi

Avtobus je komunikacijski kanal med različnimi elementi, ki sestavljajo računalnik. So fizične linije, po katerih krožijo podatki v obliki električne energije, navodila in vsi elementi, ki so potrebni za obdelavo. Te vodila lahko namestite neposredno znotraj procesorja ali zunaj njega, na matično ploščo. V računalniku so tri vrste avtobusov:

• Podatkovna vodila: zagotovo je najlažje razumeti, saj gre za vodilo, po katerem krožijo podatki, ki jih pošiljajo in prejemajo različne komponente, do procesorja ali iz njega. To pomeni, da gre za dvosmerno vodilo in skozi njo bodo krožile besede z dolžino 64 bitov, dolžino, s katero je procesor sposoben ravnati. Primer podatkovnega vodila so LANES ali PCI Express Lines, ki komunicirajo CPU z reže PCI, na primer za grafično kartico. Naslovna vodila: naslovna vodila ne krožijo podatkov, temveč pomnilniške naslove, da najdejo, kje so podatki, shranjeni v pomnilniku. RAM je kot velika shramba podatkov, razdeljena na celice, in vsaka od teh celic ima svoj naslov. Procesor bo pomnilnik za podatke vprašal s pošiljanjem pomnilniškega naslova, ta naslov mora biti toliko velik, kolikor imajo celice pomnilnik RAM. Trenutno procesor lahko naslovi spominske naslove do 64 bitov, torej lahko upravljamo s spomini do 2 ⁶⁴ celic. Nadzorna vodila: kontrolna vodila so zadolžena za upravljanje obeh prejšnjih vodil, s pomočjo kontrolnih in časovnih signalov za sinhronizacijo in učinkovito uporabo vseh informacij, ki krožijo do procesorja ali iz njega. Bilo bi kot stolp za nadzor zračnega prometa na letališču.

BSB, vhodno / izhodna enota in množitelj

Pomembno je vedeti, da trenutni procesorji nimajo tradicionalnega FSB ali Front Bus, ki je služil za komunikacijo CPU z ostalimi elementi matične plošče, na primer čipsetom in perifernimi napravami skozi severni most in južni most. To je zato, ker je vodila sama vstavljena v procesor kot enota za upravljanje vhodnih in izhodnih (izhodno / izhodnih) podatkov, ki neposredno komunicira RAM s procesorjem, kot da bi bil stari severni most. Tehnologije, kot sta AMD HyperTransport ali Intelova HyperThreading, so odgovorne za upravljanje izmenjave informacij o visoko zmogljivih procesorjih.

BSB ali zadnji stranski vodila je vodila, ki skrbi za povezavo mikroprocesorja z lastnim pomnilnikom predpomnilnika, običajno v L2. Na ta način se lahko sprednji avtobus osvobodi precej obremenitve in tako hitrost predpomnilnikov še bolj približa hitrosti jedra.

In končno imamo multiplikatorje, ki so niz elementov, ki se nahajajo znotraj ali zunaj procesorja in so odgovorni za merjenje razmerja med uro CPU in uro zunanjih vodil. V tem trenutku vemo, da je CPU povezan z elementi, kot so RAM, čipset in druge zunanje naprave prek vodil. Zahvaljujoč tem množiteljem je mogoče, da je frekvenca CPU-ja veliko hitrejša od zunanjih vodil, da bi lahko obdelali več podatkov.

Množitelj x10 bo na primer omogočil sistemu, ki deluje na 200 MHz, na CPU-ju na 2000 MHz. V trenutnih procesorjih lahko najdemo enote z odklenjenim množiteljem, kar pomeni, da lahko povečamo njegovo frekvenco in s tem hitrost obdelave. Temu pravimo overclocking.

IGP ali interno grafično kartico

Za zaključek z deli procesorja ne moremo pozabiti na integrirano grafično enoto, ki jo nekateri nosijo. Preden smo videli, kaj je FPU, in v tem primeru se soočamo z nečim podobnim, vendar z veliko večjo močjo, saj so v bistvu vrsta jeder, ki lahko samostojno obdelujejo grafiko naše ekipe, ki je v matematične namene ogromno količino izračunov s plavajočo vejico in upodabljanje grafike, ki bi bili zelo intenzivni za procesor.

IGP opravlja enako funkcijo kot zunanja grafična kartica, tisto, ki smo jo namestili preko reže PCI-Express, le v manjšem obsegu ali moči. Imenuje se integrirani grafični procesor, ker je integrirano vezje, nameščeno v istem procesorju, ki razbremeni osrednjo enoto te serije zapletenih procesov. Uporabna bo, kadar nimamo grafične kartice, a za zdaj nima zmogljivosti, primerljive s temi.

Tako AMD kot Intel imata enote, ki integrirajo IGP v CPU, zato se imenujejo APU (Accelerated Processing Unit). Primer tega je skoraj vsa Intel Core družine i, skupaj z AMD Athlon in nekaj Ryzen.

Sklep o delih procesorja

No, pridemo do konca tega dolgega članka, kjer na bolj ali manj osnovni način vidimo, kakšni so deli procesorja, tako z zunanjega kot tudi z notranjega vidika. Resnica je, da je to zelo zanimiva tema, vendar prekleto zapletena in dolga za razlago, katere podrobnosti presegajo razumevanje skoraj vseh nas, ki nismo potopljeni v montažne linije in proizvajalcev te vrste naprav.

Zdaj vam prepuščamo nekaj vaj, ki bi vas lahko zanimale.

Če imate kakršna koli vprašanja ali želite razjasniti kakršno koli težavo v članku, vas vabimo, da jo napišete v polje za komentar. Vedno je dobro imeti mnenje in modrost drugih.