▷ Części procesora na zewnątrz i wewnątrz: podstawowe pojęcia?

Na pewno wszyscy wiemy z grubsza, czym jest procesor, ale czy naprawdę wiemy, jakie są części procesora ? Każdy z nich jest niezbędny, aby ten niewielki kwadrat krzemu mógł przetwarzać duże ilości informacji, przenosząc ludzkość w epokę, w której bez systemów elektronicznych byłby to kompletny upadek.

Procesory są już częścią naszego codziennego życia, zwłaszcza ludzi, którzy urodzili się w ciągu ostatnich 20 lat. Wiele z nich całkowicie wymieszało się z technologią, nie wspominając o tych małych, którzy zamiast bochenka zabierają ze sobą smartfona… We wszystkich tych urządzeniach występuje wspólny element zwany procesorem, który odpowiada za „inteligencję” maszyny wokół nas. Gdyby ten element nie istniał, podobnie jak komputery, telefony komórkowe, roboty i linie montażowe, krótko mówiąc, wszyscy mieliby pracę… ale nie byłoby możliwe dotarcie do miejsca, w którym je stworzyliśmy, wciąż nie ma takiego świata jak „Matrix”, ale wszystko pójdzie

Indeks treści

Co to jest procesor i dlaczego jest tak ważny

Przede wszystkim musimy pamiętać, że nie tylko komputer ma procesor. Wszystkie urządzenia elektroniczne mają w sobie element, który działa jak procesor, niezależnie od tego, czy jest to zegar cyfrowy, programowalny automat, czy smartfon.

Ale oczywiście musimy również pamiętać, że w zależności od ich możliwości i tego, co są wytwarzane, procesory mogą być mniej lub bardziej złożone, od zwykłego wykonywania kolejnych kodów binarnych po oświetlenie panelu LED, po obsługę ogromnych ilości informacje, w tym uczenie się na ich podstawie (uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja).

CPU lub Central Processing Unit w języku hiszpańskim to układ elektroniczny zdolny do wykonywania zadań i instrukcji zawartych w programie. Instrukcje te są znacznie uproszczone i sprowadzają się do podstawowych obliczeń arytmetycznych (dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie), operacji logicznych (AND, OR, NOT, NOR, NAND) oraz kontroli wejścia / wyjścia (I / O). urządzeń.

Następnie procesor jest elementem odpowiedzialnym za wykonywanie wszystkich operacji, które tworzą instrukcje programu. Jeśli spojrzymy na maszynę z punktu widzenia maszyny, operacje te zostaną zredukowane do prostych łańcuchów zer i jedynek, zwanych bitami, które reprezentują stany bieżące / nieprądowe, tworząc w ten sposób binarne struktury logiczne, do których zdolny jest nawet człowiek. rozumieć i programować w kodzie maszynowym, asemblerze lub poprzez język programowania wyższego poziomu.

Tranzystory, sprawcy wszystkiego

Procesory nie istniałyby, przynajmniej tak małe, gdyby nie tranzystory. Są podstawową jednostką każdego procesora i układu scalonego. Jest to urządzenie półprzewodnikowe, które zamyka lub otwiera obwód elektryczny lub wzmacnia sygnał. W ten sposób możemy tworzyć jedynki i zera, język binarny, który rozumie procesor.

Tranzystory te zaczynały jako zawory próżniowe, ogromne urządzenia przypominające żarówki, zdolne do wykonywania własnych komutacji tranzystora, ale z elementami mechanicznymi w próżni. Komputery takie jak ENIAC lub EDVAC miały w sobie zawory próżniowe zamiast tranzystorów i były niezwykle duże i praktycznie zużywały energię małego miasta. Maszyny te były pierwszymi z architekturą Von Neumann.

Ale w latach 50. i 60. zaczęły powstawać pierwsze procesory tranzystorowe - w rzeczywistości był to IBM w 1958 r., Kiedy to stworzył swoją pierwszą maszynę opartą na tranzystorach półprzewodnikowych z IBM 7090. Od tego czasu ewolucja była spektakularna, producenci tacy jak Intel, a później AMD zaczęli tworzyć pierwsze procesory do komputerów stacjonarnych, wdrażając rewolucyjną architekturę x86, dzięki procesorowi Intel 8086. W rzeczywistości nawet dzisiaj nasze procesory do komputerów stacjonarnych są oparte na tej architekturze, później zobaczymy części procesora x86.

Następnie architektura zaczęła się stawać coraz bardziej złożona, z mniejszymi układami, a także z pierwszym wprowadzeniem większej liczby rdzeni, a następnie z rdzeniami specjalnie dedykowanymi do przetwarzania grafiki. Nawet ultraszybkie banki pamięci zwane pamięcią podręczną i magistralą połączenia z pamięcią główną RAM, zostały wprowadzone do tych małych układów.

Zewnętrzne części procesora

Po tym krótkim przeglądzie historii procesorów, aż do naszych czasów, zobaczymy, jakie elementy zewnętrzne ma obecny procesor. Mówimy o elementach fizycznych, których można dotknąć i które są widoczne dla użytkownika. Pomoże nam to lepiej zrozumieć fizyczne i procesorowe potrzeby związane z łącznością.

Gniazdo

Gniazdo lub gniazdo procesora to system elektromechaniczny na stałe zainstalowany na płycie głównej, który jest odpowiedzialny za połączenie procesora z innymi elementami na płycie i komputerze. Na rynku dostępnych jest kilka podstawowych rodzajów gniazd, a także wiele różnych konfiguracji. W twoim imieniu lub nominale są trzy elementy, które pozwolą nam zrozumieć, o którym mówimy:

Producentem może być Intel lub AMD w przypadku komputerów osobistych, jest to coś prostego do zrozumienia. Jeśli chodzi o rodzaj połączenia, mamy trzy różne typy:

• LGA: (sieć styków), oznacza, że ​​styki są zainstalowane w samym gnieździe, podczas gdy CPU ma tylko płaską matrycę styków. PGA: (siatka układów pinów), jest to przeciwieństwo poprzedniego, to procesor ma piny, a gniazdo otwory do ich włożenia. BGA: (macierz siatki), w tym przypadku procesor jest przylutowany bezpośrednio do płyty głównej.

Jeśli chodzi o ostatni numer, określa on typ dystrybucji lub liczbę pinów połączeniowych, które CPU ma z gniazdem. Jest ich ogromna ilość zarówno w Intelie, jak i AMD.

Podłoże

Podłożem jest w zasadzie płytka drukowana, na której jest zainstalowany chip krzemowy zawierający obwód elektroniczny rdzeni, zwany DIE. Dzisiejsze procesory mogą mieć zainstalowany więcej niż jeden z tych elementów.

Ale także ta niewielka płytka drukowana zawiera całą matrycę styków połączeniowych z gniazdem płyty głównej, prawie zawsze pozłacaną w celu usprawnienia przesyłania energii elektrycznej oraz z ochroną przed przeciążeniami i skokami prądu w postaci kondensatorów.

UMIERAJ

DIE jest dokładnie kwadratem lub układem, który zawiera wszystkie układy scalone i wewnętrzne elementy procesora. Wizualnie jest postrzegany jako mały czarny element wystający z podłoża i stykający się z elementem rozpraszającym ciepło.

Ponieważ cały system przetwarzania jest w nim, DIE osiąga niewiarygodnie wysokie temperatury, więc musi być chroniony przez inne elementy.

IHS

Nazywany również DTS lub Integrated Thermal Diffuser, a jego funkcją jest rejestrowanie całej temperatury rdzeni procesora i przesyłanie jej do radiatora, który ten element zainstalował. Wykonany jest z miedzi lub aluminium.

Ten element jest arkuszem lub obudową, która chroni matrycę od zewnątrz i może być w bezpośrednim kontakcie z nią za pomocą pasty termicznej lub bezpośrednio spawana. W niestandardowym sprzęcie do gier użytkownicy usuwają ten IHS, aby umieścić radiatory bezpośrednio w kontakcie z DIE za pomocą pasty termicznej w ciekłym związku metalu. Proces ten nosi nazwę Delidding, a jego celem jest znaczna poprawa temperatur procesora.

Radiator

Ostatni element odpowiedzialny za wychwytywanie jak największej ilości ciepła i przenoszenie go do atmosfery. Są to małe lub duże bloki wykonane z aluminium i miedzianej podstawy, wyposażone w wentylatory, które pomagają schłodzić całą powierzchnię za pomocą wymuszonego przepływu powietrza przez żebra.

Każdy procesor PC potrzebuje radiatora do działania i kontrolowania temperatury.

Cóż, są to części procesora zewnętrznie, teraz zobaczymy najbardziej techniczną część, jej wewnętrzne komponenty.

Architektura von Neumanna

Dzisiejsze komputery oparte są na architekturze von Neumanna, który był matematykiem odpowiedzialnym za oddanie życia w 1945 roku pierwszym komputerom w historii, wiesz, ENIAC i jego innym wielkim przyjaciołom. Architektura ta jest zasadniczo sposobem, w jaki elementy lub komponenty komputera są dystrybuowane, aby możliwe było jego działanie. Składa się z czterech podstawowych części:

• Pamięć programu i danych: jest to element, w którym przechowywane są instrukcje do wykonania w procesorze. Składa się z napędów pamięci lub dysków twardych, pamięci RAM o swobodnym dostępie oraz programów zawierających same instrukcje. Centralna jednostka przetwarzająca lub procesor: jest to procesor, jednostka kontrolująca i przetwarzająca wszystkie informacje pochodzące z pamięci głównej i urządzeń wejściowych. Jednostka wejściowa i wyjściowa: umożliwia komunikację z urządzeniami peryferyjnymi i komponentami podłączonymi do jednostki centralnej. Fizycznie moglibyśmy zidentyfikować je jako gniazda i porty naszej płyty głównej. Magistrale danych: są to tory, ścieżki lub kable, które fizycznie łączą elementy, w CPU dzielone są na magistralę sterowania, magistralę danych i magistralę adresową.

Procesory wielordzeniowe

Zanim zaczniemy wymieniać wewnętrzne komponenty procesora, bardzo ważne jest, aby wiedzieć, jakie są rdzenie procesora i jakie są w nich funkcje.

Rdzeniem procesora jest układ scalony, który jest odpowiedzialny za wykonanie niezbędnych obliczeń z przepływającą przez nie informacją. Każdy procesor działa na określonej częstotliwości, mierzonej w MHz, co wskazuje liczbę operacji, które jest w stanie wykonać. Cóż, obecne procesory mają nie tylko rdzeń, ale kilka z nich, wszystkie z tymi samymi komponentami wewnętrznymi i zdolne do wykonywania i rozwiązywania instrukcji jednocześnie w każdym cyklu zegara.

Jeśli więc procesor lokalny może wykonać jedną instrukcję w każdym cyklu, jeśli miał 6, może wykonać 6 z tych instrukcji w tym samym cyklu. Jest to dramatyczna poprawa wydajności i dokładnie tak robią dzisiejsze procesory. Ale nie tylko mamy rdzenie, ale także przetwarzamy wątki, które są rodzajem logicznych rdzeni, przez które krążą wątki programu.

Odwiedź nasz artykuł na temat: jakie są wątki procesora? Różnice z jądrami, aby dowiedzieć się więcej na ten temat.

Wewnętrzne części procesora (x86)

Istnieje wiele różnych architektur i konfiguracji mikroprocesorów, ale ta, która nas interesuje, to ta, która znajduje się w naszych komputerach, i to bez wątpienia ta, która otrzymuje nazwę x86. Możemy to zobaczyć bezpośrednio fizycznie lub schematycznie, aby było trochę jaśniej, wiedząc, że wszystko to jest w DIE.

Musimy pamiętać, że jednostka sterująca, jednostka arytmetyczno-logiczna, rejestry i FPU będą obecne w każdym z rdzeni procesora.

Najpierw spójrzmy na główne elementy wewnętrzne:

Jednostka sterująca

W języku angielskim o nazwie Conrol Unit lub CU odpowiada za kierowanie działaniem procesora. Dokonuje tego poprzez wydawanie poleceń w postaci sygnałów sterujących do pamięci RAM, jednostki arytmetyczno-logicznej oraz urządzeń wejściowych i wyjściowych, aby wiedzieli, jak zarządzać informacjami i instrukcjami przesyłanymi do procesora. Na przykład zbierają dane, wykonują obliczenia i przechowują wyniki.

To urządzenie zapewnia, że ​​pozostałe komponenty pracują w synchronizacji z wykorzystaniem sygnałów zegara i taktowania. Praktycznie wszystkie procesory mają tę jednostkę w środku, ale powiedzmy, że jest poza rdzeniem samego przetwarzania. Z kolei możemy wyróżnić w nim następujące części:

• Zegar (CLK): odpowiada za generowanie kwadratowego sygnału synchronizującego elementy wewnętrzne. Istnieją inne zegary odpowiedzialne za tę synchronizację między elementami, na przykład mnożnik, który zobaczymy później. Licznik programu (CP): zawiera adres pamięci następnej instrukcji do wykonania. Rejestr instrukcji (RI): zapisuje wykonywaną instrukcję Sekwencer i Dekoder: interpretuje i wykonuje instrukcje za pomocą poleceń

Jednostka arytmetyczno-logiczna

Na pewno to poznasz po akronimie „ALU”. ALU jest odpowiedzialny za wykonanie wszystkich obliczeń arytmetycznych i logicznych za pomocą liczb całkowitych na poziomie bitów, to urządzenie działa bezpośrednio z instrukcjami (operandami) i operacją, którą jednostka sterująca zleciła mu (operator).

Operandy mogą pochodzić z wewnętrznych rejestrów procesora lub bezpośrednio z pamięci RAM, mogą nawet zostać wygenerowane w samej jednostce ALU w wyniku innej operacji. Wynik tego będzie wynikiem operacji, będącej kolejnym słowem, które zostanie zapisane w rejestrze. Oto jego podstawowe części:

• Rejestry wejścia (REN): przechowują w nich operandy do oceny. Kod operacji: jednostka sterująca wysyła operatora, aby operacja została przeprowadzona Akumulator lub wynik: wynik operacji wychodzi z ALU jako binarne słowo Rejestr stanu (flaga): przechowuje różne warunki, które należy uwzględnić podczas operacji.

Jednostka zmiennoprzecinkowa

Poznasz to jako FPU lub zmiennoprzecinkowa jednostka. Zasadniczo jest to aktualizacja przeprowadzana przez procesory nowej generacji, która specjalizuje się w obliczeniach operacji zmiennoprzecinkowych za pomocą koprocesora matematycznego. Istnieją jednostki, które mogą nawet wykonywać obliczenia trygonometryczne lub wykładnicze.

Zasadniczo jest to adaptacja zwiększająca wydajność procesorów w przetwarzaniu grafiki, w której obliczenia, które należy wykonać, są znacznie cięższe i bardziej złożone niż w normalnych programach. W niektórych przypadkach funkcje FPU są wykonywane przez samą ALU za pomocą mikrokodu instrukcji.

Zapisy

Dzisiejsze procesory mają swój własny system pamięci, że tak powiem, a najmniejszą i najszybszą jednostką są rejestry. Zasadniczo jest to mały magazyn, w którym przetwarzane są instrukcje i uzyskane z nich wyniki.

Pamięć podręczna

Kolejnym poziomem pamięci jest pamięć podręczna, która jest również wyjątkowo szybką pamięcią, znacznie więcej niż pamięć RAM, która jest odpowiedzialna za przechowywanie instrukcji, które zostaną natychmiast wykorzystane przez procesor. Lub przynajmniej spróbujesz przechowywać instrukcje, które Twoim zdaniem zostaną wykorzystane, ponieważ czasami nie ma innego wyjścia, jak poprosić o nie bezpośrednio z pamięci RAM.

Pamięć podręczna obecnych procesorów jest zintegrowana z tym samym DIE procesora i jest podzielona na trzy poziomy: L1, L2 i L3:

• Pamięć podręczna poziomu 1 (L1): jest najmniejsza po logach i najszybsza z trzech. Każdy rdzeń przetwarzający ma swoją własną pamięć podręczną L1, która z kolei jest podzielona na dwie, Dane L1 odpowiedzialne za przechowywanie danych oraz Instrukcja L1, która przechowuje instrukcje do wykonania. Zwykle jest to 32 KB. Pamięć podręczna poziomu 2 (L2) - Ta pamięć jest wolniejsza niż L2, ale także większa. Zazwyczaj każdy rdzeń ma swój własny L2, który może wynosić około 256 KB, ale w tym przypadku nie jest bezpośrednio zintegrowany z obwodem rdzenia. Pamięć podręczna poziomu 3 (L3): Jest to najwolniejsza z trzech, choć znacznie szybsza niż pamięć RAM. Znajduje się również poza jądrami i jest rozłożony na kilka jąder. Jego zakres wynosi od 8 MB do 16 MB, chociaż w bardzo mocnych procesorach osiąga nawet 30 MB.

Autobusy przychodzące i wychodzące

Magistrala jest kanałem komunikacji między różnymi elementami tworzącymi komputer. Są to fizyczne linie, przez które przepływają dane w postaci elektryczności, instrukcje i wszystkie elementy niezbędne do przetworzenia. Autobusy te można umieścić bezpośrednio na procesorze lub na zewnątrz, na płycie głównej. Istnieją trzy typy autobusów na komputerze:

• Magistrala danych: z pewnością najłatwiejsza do zrozumienia, ponieważ jest to magistrala, przez którą krążą dane wysyłane i odbierane przez różne komponenty do lub z procesora. Oznacza to, że jest to dwukierunkowa magistrala i przez nią będą krążyć słowa o długości 64 bitów, długości, którą procesor jest w stanie obsłużyć. Przykładem magistrali danych są LANES lub PCI Express Lines, które komunikują procesor z gniazdami PCI, na przykład dla karty graficznej. Magistrala adresowa: magistrala adresowa nie rozsyła danych, ale adresy pamięci, aby zlokalizować miejsce przechowywania danych w pamięci. Pamięć RAM jest jak duży magazyn danych podzielony na komórki, a każda z tych komórek ma swój własny adres. Będzie to procesor, który poprosi pamięć o dane , wysyłając adres pamięci, adres ten musi być tak duży, jak komórki mają pamięć RAM. Obecnie procesor może adresować adresy pamięci do 64 bitów, co oznacza, że możemy obsłużyć pamięć do 2 ⁶⁴ komórek. Magistrala sterująca: magistrala sterująca odpowiada za zarządzanie dwiema poprzednimi magistralami, wykorzystując sygnały sterujące i synchronizujące w celu zsynchronizowanego i wydajnego wykorzystania wszystkich informacji krążących do lub z procesora. To byłoby jak wieża kontroli ruchu lotniczego na lotnisku.

BSB, jednostka wejścia / wyjścia i mnożnik

Ważne jest, aby wiedzieć, że obecne procesory nie mają tradycyjnej magistrali FSB lub Front Bus, która służyła do komunikacji procesora z resztą elementów płyty głównej, na przykład chipsetem i urządzeniami peryferyjnymi przez mostek północny i mostek południowy. Wynika to z faktu, że sama magistrala została włożona do procesora jako jednostka zarządzania danymi wejściowymi i wyjściowymi (I / O), która bezpośrednio komunikuje pamięć RAM z procesorem, tak jakby był starym mostem północnym. Technologie takie jak HyperTransport AMD lub HyperThreading Intela są odpowiedzialne za zarządzanie wymianą informacji na wysokowydajnych procesorach.

BSB lub Back Side Bus to magistrala, która odpowiada za podłączenie mikroprocesora z własną pamięcią podręczną, zwykle L2. W ten sposób można uwolnić przednią magistralę od dość dużego obciążenia, a tym samym zbliżyć prędkość pamięci podręcznej do prędkości rdzenia.

I w końcu mamy mnożniki, które są szeregami elementów umieszczonych wewnątrz lub na zewnątrz procesora, które są odpowiedzialne za pomiar związku między zegarem procesora a zegarem szyn zewnętrznych. W tym momencie wiemy, że procesor jest podłączony do elementów takich jak RAM, mikroukład i inne urządzenia peryferyjne za pośrednictwem magistrali. Dzięki tym multiplikatorom możliwe jest, że częstotliwość procesora jest znacznie szybsza niż szyny zewnętrzne, aby móc przetwarzać więcej danych.

Na przykład mnożnik x10 pozwoli systemowi działającemu na 200 MHz pracować z procesorem na 2000 MHz. W obecnych procesorach możemy znaleźć jednostki z odblokowanym mnożnikiem, co oznacza, że ​​możemy zwiększyć jego częstotliwość, a tym samym szybkość przetwarzania. Nazywamy to podkręcaniem.

IGP lub wewnętrzna karta graficzna

Na zakończenie części procesora nie możemy zapomnieć o zintegrowanym module graficznym, który niektóre z nich niosą. Zanim zobaczyliśmy, czym jest FPU, w tym przypadku mamy do czynienia z czymś podobnym, ale z dużo większą mocą, ponieważ w zasadzie są to serie rdzeni zdolnych do niezależnego przetwarzania grafiki naszego zespołu, które dla celów matematycznych są ogromna liczba obliczeń zmiennoprzecinkowych i renderowania grafiki, które wymagałyby bardzo dużego procesora.

IGP pełni tę samą funkcję co zewnętrzna karta graficzna, którą zainstalowaliśmy nad gniazdem PCI-Express, tylko w mniejszej skali lub mocy. Nazywa się to zintegrowanym procesorem graficznym, ponieważ jest to układ scalony zainstalowany w tym samym procesorze, który odciąża jednostkę centralną tej serii skomplikowanych procesów. Przyda się, gdy nie mamy karty graficznej, ale na razie nie ma porównywalnej wydajności.

Zarówno AMD, jak i Intel mają jednostki, które integrują IGP z procesorem, dlatego są nazywane APU (Accelerated Processing Unit). Przykładem tego jest prawie cały Intel Core z rodziny i, wraz z AMD Athlon i niektórymi Ryzen.

Wniosek dotyczący części procesora

Cóż, doszliśmy do końca tego długiego artykułu, w którym widzimy w mniej lub bardziej podstawowy sposób, jakie są części procesora, zarówno z zewnętrznego, jak i wewnętrznego punktu widzenia. Prawda jest taka, że ​​jest to bardzo interesujący temat, ale cholernie skomplikowany i długi do wyjaśnienia, którego szczegóły nie są w stanie zrozumieć prawie wszyscy z nas, którzy nie są zanurzeni w liniach montażowych i producentach tego typu urządzeń.

Teraz pozostawiamy Ci kilka samouczków, które mogą Cię zainteresować.

Jeśli masz jakieś pytania lub chcesz wyjaśnić jakikolwiek problem w artykule, zapraszamy do napisania go w polu komentarza. Zawsze dobrze jest mieć opinię i mądrość innych.