▷ Kaj je procesor in kako deluje

Danes si bomo ogledali nekaj strojne opreme. Naš tim sestavlja veliko število elektronskih komponent, ki skupaj lahko shranjujejo in obdelujejo podatke. Procesor, CPU ali centralna procesna enota je njegova glavna komponenta. Govorili bomo o tem, kaj je procesor, kakšne so njegove komponente in kako deluje podrobno.

Pripravljeni? Začnimo!

Kazalo vsebine

Kaj je procesor?

Prva stvar, ki jo bomo morali opredeliti, je, kaj mora mikroprocesor poznati vse drugo. Mikroprocesor so možgani računalnika ali računalnika, sestavljen je iz integriranega vezja, vdelanega v silikonski čip, ki ga sestavljajo milijoni tranzistorjev. Njegova funkcija je obdelava podatkov, nadzor nad delovanjem vseh naprav računalnika, vsaj velikega dela in kar je najpomembneje: skrbi za izvajanje logičnih in matematičnih operacij.

Če se zavedamo, so vsi podatki, ki krožijo skozi naš stroj, električni impulzi, sestavljeni iz signalov enot in ničel, imenovanih bitov. Vsak od teh signalov je združen v niz bitov, ki sestavljajo navodila in programe. Mikroprocesor je zadolžen, da vse to smiselno izvede z osnovnimi operacijami: SUM, SUBTRACT in ALI MUL, DIV, OPPOSITE IN INVERSE. Nato moramo mikroprocesorju:

• Dekodira in izvrši navodila programov, naloženih v glavnem pomnilniku računalnika. Koordinira in nadzoruje vse komponente, ki sestavljajo računalnik in zunanje naprave, povezane z njim, miško, tipkovnico, tiskalnik, zaslon itd.

Trenutno so procesorji običajno kvadratne ali pravokotne oblike in so nameščeni na elementu, imenovanem vtičnica, pritrjena na matično ploščo. Ta bo odgovoren za distribucijo podatkov med procesorjem in ostalimi elementi, ki so z njim povezani.

Arhitektura računalnika

V naslednjih razdelkih bomo videli celotno arhitekturo procesorja.

Von Neumannova arhitektura

Od izuma mikroprocesorjev do danes temeljijo na arhitekturi, ki procesor deli na več elementov, ki jih bomo videli kasneje. Temu se reče arhitektura Von Neumann. Gre za arhitekturo, ki jo je leta 1945 izumil matematik Von Neumann, ki opisuje zasnovo digitalnega računalnika, razdeljenega na niz delov ali elementov.

Trenutni procesorji še vedno v veliki meri temeljijo na tej osnovni arhitekturi, čeprav je logično uvedeno veliko novih elementov, dokler ne bomo imeli izjemno popolnih elementov, ki jih imamo danes. Možnost več številk na istem čipu, pomnilniški elementi na različnih ravneh, vgrajen grafični procesor itd.

Notranji deli računalnika

Osnovni deli računalnika v skladu s to arhitekturo so:

• Pomnilnik: je element, v katerem so shranjena navodila, ki jih izvaja računalnik, in podatki, na katerih navodila delujejo. Tem navodilom se reče program. Centralna procesna enota ali CPU: to je element, ki smo ga predhodno opredelili. Zadolžena je za obdelavo navodil, ki ji pridejo iz pomnilnika. Vhodno-izhodna enota: omogoča komunikacijo z zunanjimi elementi. Podatkovne vodila: so tiri, gosenice ali kabli, ki fizično povezujejo prejšnje elemente.

Elementi mikroprocesorja

Opredelili smo glavne dele računalnika in razumeli, kako informacije krožijo po njem.

• Krmilna enota (UC): element je zadolžen za oddajo naročil prek krmilnih signalov, na primer ure. Poišči navodila v glavnem pomnilniku in jih posreduje v dekoder navodila. Notranji deli:
  1. Ura: ustvari kvadratni val za sinhronizacijo postopkov procesorja Števec programov: Vsebuje pomnilniški naslov naslednjega navodila, ki ga je treba izvesti Navodila za uporabo: Vsebuje navodila, ki jih trenutno izvaja Sequencer: Ustvari elementarne ukaze za obdelavo pouka. Navodila za dekodiranje (DI): zadolžen je za razlago in izvajanje navodil, ki prihajajo, s pridobivanjem operacijske kode navodila.

• Logična aritmetična enota (ALU): zadolžena je za izdelavo aritmetičnih izračunov (SUM, SUBTRAKCIJA, MULTIPLIKACIJA, DIVIZIJA) in logičnih operacij (IN, ALI,…). Notranji deli.
  1. Operativni tokokrog: vsebujejo multipleksere in vezja za izvajanje operacij. Vhodni registri: podatki se shranijo in obratujejo pred vstopom v obratovalni krog Akumulator: shrani rezultate izvedenih operacij Register stanja (zastava): shrani določene pogoje, ki jih je treba upoštevati pri naslednjih operacijah.

• Enota s plavajočo vejico (FPU): Ta element ni bil v prvotni arhitekturni zasnovi, pozneje je bil predstavljen, ko so navodila in izračuni postali bolj zapleteni s pojavom grafično predstavljenih programov. Ta enota je odgovorna za izvajanje operacij s plavajočo vejico, torej dejanskih števil. Banka zapisov in predpomnilnik: Današnji procesorji imajo hlapni pomnilnik, ki prestopi iz RAM-a v procesor. Ta je veliko hitrejši od RAM-a in je odgovoren za pospešitev dostopa mikroprocesorja do glavnega pomnilnika.

• Sprednja stranska vodila (FSB): Znana tudi kot podatkovna vodila, glavna vodila ali sistemska vodila. Pot ali kanal komunicira mikroprocesor z matično ploščo, natančneje s čipom, imenovanim severni most ali nothbridge. Ta je odgovoren za nadzor delovanja glavnega vodila procesorja, RAM-a in razširitvenih vrat, kot je PCI-Express. Izraza, ki se uporabljata za definiranje te vodila, sta "Quick Path Interconnect" za Intel in "Hypertransport" za AMD.

Vir: sleeperfurniture.co

Vir: ixbtlabs.com

• Zadnja stran BUS (BSB): ta vodila s procesorjem komunicira predpomnilnik pomnilnika nivoja 2 (L2), če ta ni vgrajena v samo jedro CPU-ja. Trenutno imajo vsi mikroprocesorji pomnilnik pomnilnika vgrajen v sam čip, zato je ta vodila tudi del istega čipa.

Dva ali več jedrnih mikroprocesorjev

V istem procesorju ne bomo samo, da bomo te elemente porazdelili v notranjosti, ampak jih bomo zdaj podvojili. V enoti bomo imeli več procesorskih jeder ali več mikroprocesorjev. Vsak od njih bo imel svoj predpomnilnik L1 in L2, običajno je L3 med njimi v skupnih parov ali skupaj.

Poleg tega bomo imeli ALU, UC, DI in FPU za vsako od jeder, tako da se hitrost in zmogljivost obdelave pomnožita glede na število jeder, ki jih ima. Znotraj mikroprocesorjev se pojavijo tudi novi elementi:

• Vgrajeni krmilnik pomnilnika (IMC): Z videzom več jeder ima procesor sistem, ki omogoča neposreden dostop do glavnega pomnilnika. Vgrajeni GPU (iGP) - GPU upravlja z grafično obdelavo. To so večinoma operacije s plavajočo vejico z bitnimi strunami visoke gostote, zato je obdelava veliko bolj zapletena kot običajni programski podatki. Zaradi tega obstajajo mikroprocesorski razponi, ki v njih izvajajo enoto, ki je izključno namenjena grafični obdelavi.

Nekateri procesorji, na primer AMD Ryzen, nimajo notranje grafične kartice. Samo APU-ji?

Delovanje mikroprocesorjev

Procesor deluje po navodilih, vsako od teh navodil pa je binarna koda določene končnice, ki jo CPU razume.

Program je torej niz navodil, za njegovo izvajanje pa ga je treba izvajati zaporedno, to pomeni, da v vsakem koraku ali obdobju izvede eno od teh navodil. Za izvedbo navodila je več faz:

• Iskanje navodil: navodilo pripeljemo iz pomnilnika v procesor Dekodiranje navodil: navodilo je razdeljeno na enostavnejše kode, ki jih razume CPU. Operirano iskanje: z navodili, naloženimi v CPU, morate poiskati ustreznega operaterja navodilo: izvedite potrebno logično ali aritmetično operacijo Shranjevanje rezultata: rezultat se predpomni

Vsak procesor deluje z določenim naborom navodil, ki so se razvijala skupaj s procesorji. Ime x86 ali x386 se nanaša na nabor navodil, s katerimi deluje procesor.

32-bitne procesorje tradicionalno imenujejo tudi x86, ker je v tej arhitekturi delal s tem nizom navodil procesorja Intel 80386, ki je prvi uveljavil 32-bitno arhitekturo.

Ta sklop navodil je treba posodobiti, da bo delovalo učinkoviteje in s kompleksnejšimi programi. Včasih vidimo, da v zahtevah za zagon programa prihaja nabor kratic, kot so SSE, MMX itd. To je nabor navodil, s katerimi se lahko spoprime mikroprocesor. Torej imamo:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): Omogočili so CPU-jem za delovanje s plavajočimi točkami. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 itd.: Različne posodobitve tega niza navodil.

Nezdružljivost procesorja

Vsi se spomnimo, kdaj bi lahko operacijski sistem Apple deloval na računalniku z operacijskim sistemom Windows ali Linux. To je posledica vrste navodil različnih procesorjev. Apple je uporabljal procesorje PowerPC, ki so delali z navodili, ki niso Intel in AMD. Tako obstaja več modelov navodil:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): gre za tisto, ki ga uporabljata Intel in AMD, gre za uporabo nabora nekaj navodil, vendar zapleteno. Imajo večjo porabo virov, saj so popolnejša navodila, ki zahtevajo več ciklov ure. RISC (računalnik z zmanjšanimi nastavitvami): to so tisti, ki jih uporabljajo Apple, Motorola, IBM in PowerPC, to so učinkovitejši procesorji z več navodili, vendar manj zapletenosti.

Trenutno sta oba operacijska sistema združljiva, ker Intel in AMD v svojih procesorjih uporabljata kombinacijo arhitektur.

Postopek izvajanja navodil

1. Procesor se znova zažene, ko sprejme RESET signal, na ta način se sistem pripravi tako, da prejme taktni signal, ki bo določil hitrost postopka. V registru CP (programskem števcu) se spominski naslov, na katerem Krmilna enota (UC) izda ukaz, da pridobi navodilo, ki ga je RAM shranil v pomnilniški naslov, ki je v CP. Nato RAM pošlje podatke in se postavi na vodilo podatkov, dokler ki je shranjena v RI (Register navodil). UC upravlja postopek in navodilo preide v dekoder (D), da bi našel pomen navodila. Potem gre skozi UC, ki ga je treba izvesti. Ko je znano navodilo in kakšno operacijo je treba izvesti, sta oba naložena v vhodne registre ALU (REN). ALU izvede operacijo in rezultat postavi v polje vodilo podatkov in CP je dodan 1 za izvedbo naslednjega navodila.

Kako vedeti, ali je procesor dober

Če želimo vedeti, ali je mikroprocesor dober ali slab, moramo pregledati vsako njegovo notranjo komponento:

Širina vodila

Širina vodila določa velikost registrov, ki lahko krožijo po njem. Ta širina se mora ujemati z velikostjo procesorskih registrov. Na ta način imamo, da širina vodila predstavlja največji register, ki ga je sposoben prevažati v eni sami operaciji.

Neposredno povezan z vodilnim bo tudi pomnilnik RAM, mora biti sposoben shraniti vsakega od teh registrov s širino, ki jo imajo (temu rečemo širina spominske besede).

Kar imamo trenutno, ko je širina vodila 32 bitov ali 64 bitov, to je, da lahko hkrati prevažamo, skladiščimo in obdelujemo verige 32 ali 64 bitov. Z 32 bitov, od katerih ima vsak lahko 0 ali 1, lahko naslovimo na količino pomnilnika 2 ³² (4 GB) in s 64 bitnimi 16 EB Exabajti. To ne pomeni, da imamo na svojem računalniku 16 Exabajtov pomnilnika, ampak predstavlja sposobnost upravljanja in uporabe določene količine pomnilnika. Od tod znana omejitev 32-bitnih sistemov, da naslovijo samo 4 GB pomnilnika.

Skratka, čim širši je avtobus, več delovne zmogljivosti.

Predpomnilnik

Ti spomini so veliko manjši od RAM-a, vendar veliko hitrejši. Njegova funkcija je shranjevanje navodil, ki bodo ravnokar obdelana ali zadnja obdelana. Več pomnilnika pomnilnika, večja je hitrost transakcije, ki jo lahko CPU dvigne in spusti.

Tu se moramo zavedati, da vse, kar doseže procesor, prihaja s trdega diska, in to lahko rečemo, da je strašljivo počasnejši od RAM-a in še bolj kot predpomnilnik. Zaradi tega so bili ti spomini na trdne naprave namenjeni reševanju velikega ozkega grla, ki je trdi disk.

In vprašali se bomo, zakaj potem ne izdelujejo samo velikih predpomnilnikov, odgovor je preprost, saj so zelo dragi.

Notranja hitrost procesorja

Hitrost interneta je skoraj vedno najbolj presenetljiva, če pogledamo procesor. "Procesor deluje na 3, 2 GHz, " ampak kaj je to? Hitrost je taktna frekvenca, pri kateri deluje mikroprocesor. Večja kot je ta hitrost, več operacij na enoto časa bo lahko izvedel. To pomeni večjo zmogljivost, zato obstaja pomnilnik pomnilnika, da procesor pospeši zbiranje podatkov, tako da vedno opravi največje število operacij na enoto časa.

Ta taktna frekvenca je podana s periodičnim kvadratnim valovnim signalom. Najdaljši čas za operacijo je eno obdobje. Obdobje je obratna frekvenca.

A ni vse hitrost. Obstaja veliko komponent, ki vplivajo na hitrost procesorja. Če imamo na primer 4-jedrni procesor na 1, 8 GHz in drugega enojedrnega na 4, 0 GHz, je prepričan, da je štirijedrnik hitrejši.

Hitrost avtobusa

Tako kot je pomembna hitrost procesorja, je pomembna tudi hitrost vodila podatkov. Matična plošča vedno deluje na veliko nižji taktni frekvenci kot mikroprocesor, zato bomo potrebovali multiplikator, ki te frekvence prilagodi.

Če imamo na primer matično ploščo z vodilnikom pri taktni frekvenci 200 MHz, bo 10-kratni množitelj dosegel frekvenco CPU 2 GHz.

Mikroarhitektura

Mikroarhitektura procesorja določa število tranzistorjev na enoto razdalje v njem. Ta enota se trenutno meri v nm (nanometrih), kolikor manjši je, večje je lahko število tranzistorjev, zato je mogoče namestiti večje število elementov in integriranih vezij.

To neposredno vpliva na porabo energije, manjše naprave bodo potrebovale manj pretoka elektronov, zato bo potrebno manj energije za opravljanje enakih funkcij kot v večji mikroarhitekturi.

Vir: intel.es

Hlajenje sestavnih delov

Zaradi ogromne hitrosti, ki jo doseže CPU, trenutni tok ustvarja toploto. Višja kot je frekvenca in napetost, večja bo toplotna energija, zato je potrebno to komponento ohladiti. Obstaja več načinov:

• Pasivno hlajenje: s pomočjo kovinskih razpršilnikov (bakra ali aluminija), ki s plavutmi povečajo površino stika z zrakom. Aktivno hlajenje : Poleg hladilnika je nameščen tudi ventilator, ki zagotavlja prisilni pretok zraka med plavuti pasivnega elementa.

• Tekoče hlajenje: je sestavljeno iz vezja iz črpalke in rebrastega radiatorja. Voda kroži skozi blok, ki se nahaja v CPU-ju, tekoči element zbira ustvarjeno toploto in jo prenaša v radiator, ki s prisilnim prezračevanjem odvaja toploto in ponovno znižuje temperaturo tekočine.

Nekateri procesorji vključujejo hladilnik. Običajno ne gre za veliko stvar… vendar služijo temu, da se računalnik zažene in zažene ter ga hkrati izboljša

• Hlajenje s pomočjo toplotnih cevi : sistem je sestavljen iz zaprtega vezja bakrenih ali aluminijastih cevi, napolnjenih s tekočino. Ta tekočina zbira toploto iz CPU-ja in izhlapi, se dviga na vrh sistema. Na tem mestu je rebrasti hladilnik, ki izmenjuje toploto tekočine od znotraj do zunanjega zraka, na ta način se tekočina kondenzira in spusti nazaj v blok CPU-ja.

Priporočamo

S tem zaključimo naš članek o tem, kaj je procesor in kako deluje podrobno. Upamo, da vam je bilo všeč.