▷ Co to jest procesor i jak działa

Dzisiaj zobaczymy trochę sprzętu. Nasz zespół składa się z dużej liczby elementów elektronicznych, które razem są w stanie przechowywać i przetwarzać dane. Procesor, procesor lub jednostka centralna jest jego głównym składnikiem. Porozmawiamy o tym, czym jest procesor, jakie są jego komponenty i jak szczegółowo działa.

Gotowi? Zacznijmy!

Indeks treści

Co to jest procesor?

Pierwszą rzeczą, którą będziemy musieli zdefiniować, jest to, co mikroprocesor ma wiedzieć wszystko inne. Mikroprocesor jest mózgiem komputera lub komputera, składa się z układu scalonego zamkniętego w krzemowym układzie, który składa się z milionów tranzystorów. Jego zadaniem jest przetwarzanie danych, kontrolowanie działania wszystkich urządzeń komputera, przynajmniej ich dużej części, a co najważniejsze: odpowiada za wykonywanie operacji logicznych i matematycznych.

Jeśli zdamy sobie z tego sprawę, wszystkie dane krążące przez naszą maszynę są impulsami elektrycznymi, złożonymi z sygnałów zer i jedynek zwanych bitami. Każdy z tych sygnałów jest zgrupowany w zestawie bitów, które składają się na instrukcje i programy. Mikroprocesor odpowiada za zrozumienie tego wszystkiego, wykonując podstawowe operacje: SUM, SUBTRACT, AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE AND INVERSE. Następnie musimy do mikroprocesora:

• Dekoduje i wykonuje instrukcje programów załadowanych do głównej pamięci komputera. Koordynuje i kontroluje wszystkie elementy składające się na komputer i podłączone do niego urządzenia peryferyjne, mysz, klawiaturę, drukarkę, ekran itp.

Procesory mają obecnie zwykle kwadratowy lub prostokątny kształt i są umieszczone na elemencie zwanym gniazdem przymocowanym do płyty głównej. Będzie to odpowiedzialne za dystrybucję danych między procesorem a resztą podłączonych do niego elementów.

Architektura komputera

W poniższych sekcjach zobaczymy całą architekturę procesora.

Architektura von Neumanna

Od czasu wynalezienia mikroprocesorów do dziś, są one oparte na architekturze, która dzieli procesor na kilka elementów, które zobaczymy później. Nazywa się to architekturą von Neumanna. Jest to architektura wynaleziona w 1945 roku przez matematyka Von Neumanna, która opisuje projekt komputera cyfrowego podzielonego na szereg części lub elementów.

Obecne procesory są nadal w dużej mierze oparte na tej podstawowej architekturze, chociaż logicznie wprowadzono dużą liczbę nowych elementów, dopóki nie uzyskamy niezwykle kompletnych elementów, które mamy dzisiaj. Możliwość wielu numerów na tym samym układzie, elementów pamięci na różnych poziomach, wbudowanego procesora graficznego itp.

Wewnętrzne części komputera

Podstawowe części komputera zgodnie z tą architekturą są następujące:

• Pamięć: to element, w którym przechowywane są instrukcje wykonywane przez komputer i dane, na których działają instrukcje. Instrukcje te nazywane są programem. Central Processing Unit or CPU: jest to element, który wcześniej zdefiniowaliśmy. Odpowiada za przetwarzanie instrukcji przychodzących z pamięci Jednostka wejściowa i wyjściowa: umożliwia komunikację z elementami zewnętrznymi. Magistrale danych: to ścieżki, ścieżki lub kable, które fizycznie łączą poprzednie elementy.

Elementy mikroprocesora

Po zdefiniowaniu głównych części komputera i zrozumieniu, w jaki sposób przepływają przez niego informacje.

• Jednostka sterująca (UC): jest to element odpowiedzialny za wydawanie poleceń za pomocą sygnałów sterujących, na przykład zegara. Wyszukuje instrukcje w pamięci głównej i przekazuje je do dekodera instrukcji w celu wykonania. Części wewnętrzne:
  1. Zegar: Generuje falę prostokątną w celu synchronizacji operacji procesora Licznik programów: Zawiera adres pamięci następnej instrukcji do wykonania Zapis instrukcji: Zawiera instrukcję, która jest aktualnie wykonywana Sekwencer: Generuje elementarne polecenia do przetwarzania instrukcji. Dekoder instrukcji (DI): odpowiada za interpretację i wykonywanie otrzymanych instrukcji, wyodrębnianie kodu operacji instrukcji.

• Logiczna jednostka arytmetyczna (ALU): odpowiada za wykonywanie obliczeń arytmetycznych (SUMA, SUBTRAKCJA, MULTIPLIKACJA, PODZIAŁ) i operacji logicznych (AND, OR,…). Części wewnętrzne.
  1. Obwód operacyjny: zawierają multipleksery i obwody do wykonywania operacji. Rejestry wejściowe: dane są zapisywane i obsługiwane przed wejściem do obwodu operacyjnego Akumulator: przechowuje wyniki wykonanych operacji Rejestr stanu (flaga): przechowuje pewne warunki, które należy wziąć pod uwagę w kolejnych operacjach.

• Jednostka zmiennoprzecinkowa (FPU): Ten element nie był w pierwotnym projekcie architektury, został później wprowadzony, gdy instrukcje i obliczenia stały się bardziej złożone wraz z pojawieniem się graficznie reprezentowanych programów. Ta jednostka jest odpowiedzialna za wykonywanie operacji zmiennoprzecinkowych, czyli liczb rzeczywistych. Record Bank and Cache: Dzisiejsze procesory mają zmienną pamięć, która łączy pamięć RAM z procesorem. Jest to znacznie szybsze niż pamięć RAM i odpowiada za przyspieszenie dostępu mikroprocesora do pamięci głównej.

• Front Side Bus (FSB): Znany również jako magistrala danych, magistrala główna lub magistrala systemowa. Jest to ścieżka lub kanał, który komunikuje mikroprocesor z płytą główną, a konkretnie z układem zwanym mostkiem północnym lub mostkiem północnym. Jest to odpowiedzialne za kontrolowanie działania głównej magistrali procesora, pamięci RAM i portów rozszerzeń, takich jak PCI-Express. Terminami używanymi do zdefiniowania tej magistrali są „Quick Path Interconnect” dla Intela i „Hypertransport” dla AMD.

Źródło: sleeperfurniture.co

Źródło: ixbtlabs.com

• Back Side BUS (BSB): ta magistrala komunikuje pamięć podręczną poziomu 2 (L2) z procesorem, o ile nie jest zintegrowana z samym rdzeniem procesora. Obecnie wszystkie mikroprocesory mają wbudowaną pamięć podręczną w samym układzie, więc ta magistrala jest również częścią tego samego układu.

Dwurdzeniowy mikroprocesor

W tym samym procesorze nie tylko będziemy mieć te elementy rozmieszczone w środku, ale teraz są one replikowane. Będziemy dysponować kilkoma rdzeniami przetwarzającymi lub tym samym kilkoma mikroprocesorami w urządzeniu. Każdy z nich będzie miał własną pamięć podręczną L1 i L2, zwykle L3 jest dzielony między nimi, parami lub razem.

Oprócz tego będziemy mieli ALU, UC, DI i FPU dla każdego z rdzeni, więc szybkość i wydajność przetwarzania mnożą się w zależności od liczby rdzeni. W mikroprocesorach pojawiają się również nowe elementy:

• Zintegrowany kontroler pamięci (IMC): Teraz wraz z pojawieniem się kilku rdzeni procesor ma system, który pozwala na bezpośredni dostęp do pamięci głównej. Zintegrowany procesor graficzny (iGP) - procesor graficzny obsługuje przetwarzanie grafiki. Są to głównie operacje zmiennoprzecinkowe z łańcuchami bitów o dużej gęstości, więc przetwarzanie jest znacznie bardziej skomplikowane niż normalne dane programu. Z tego powodu istnieją zakresy mikroprocesorów, które implementują w nich jednostkę dedykowaną wyłącznie do przetwarzania grafiki.

Niektóre procesory, takie jak AMD Ryzen, nie mają wewnętrznej karty graficznej. Tylko twoje APU?

Działanie mikroprocesora

Procesor działa według instrukcji, każda z tych instrukcji jest kodem binarnym określonego rozszerzenia, które procesor jest w stanie zrozumieć.

Program jest zatem zbiorem instrukcji i aby go wykonać, należy go wykonać sekwencyjnie, to znaczy wykonując jedną z tych instrukcji na każdym etapie lub okresie. Aby wykonać instrukcję, istnieje kilka faz:

• Wyszukiwanie instrukcji: przenosimy instrukcję z pamięci do procesora Dekodowanie instrukcji: instrukcja jest podzielona na prostsze kody zrozumiałe dla wyszukiwania z wykorzystaniem procesora : z instrukcją załadowaną do procesora musisz znaleźć odpowiedniego operatora Wykonanie instrukcja: wykonaj niezbędną operację logiczną lub arytmetyczną Zapisywanie wyniku: wynik jest buforowany

Każdy procesor działa z pewnym zestawem instrukcji, które ewoluowały wraz z procesorami. Nazwa x86 lub x386 odnosi się do zestawu instrukcji, z którymi współpracuje procesor.

Tradycyjnie procesory 32-bitowe były również nazywane x86, ponieważ w tej architekturze pracowały z tym zestawem instrukcji procesora Intel 80386, który jako pierwszy wdrożył architekturę 32-bitową.

Ten zestaw instrukcji musi zostać zaktualizowany, aby działał wydajniej i przy bardziej złożonych programach. Czasami widzimy, że w wymaganiach dotyczących uruchomienia programu znajduje się zestaw akronimów, takich jak SSE, MMX itp. Jest to zestaw instrukcji, z którymi mikroprocesor może sobie poradzić. Mamy więc:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): Umożliwiły procesory do pracy z operacjami zmiennoprzecinkowymi. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 itp.: Różne aktualizacje tego zestawu instrukcji.

Niezgodność procesora

Wszyscy pamiętamy, kiedy system operacyjny Apple może działać na komputerze z systemem Windows lub Linux. Wynika to z rodzaju instrukcji pochodzących od różnych procesorów. Apple zastosowało procesory PowerPC, które działały z instrukcjami innymi niż Intel i AMD. Zatem istnieje kilka projektów instrukcji:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): jest to ten używany przez Intel i AMD, polega na użyciu zestawu kilku instrukcji, ale złożonym. Mają większe zużycie zasobów, będąc bardziej kompletnymi instrukcjami, które wymagają kilku cykli zegara. RISC (komputer z ograniczonym zestawem instrukcji): ten jest używany przez Apple, Motorola, IBM i PowerPC, są to bardziej wydajne procesory z większą liczbą instrukcji, ale o mniejszej złożoności.

Obecnie oba systemy operacyjne są kompatybilne, ponieważ Intel i AMD implementują kombinację architektur w swoich procesorach.

Proces wykonywania instrukcji

1. Procesor uruchamia się ponownie po otrzymaniu sygnału RESET, w ten sposób system przygotowuje się, odbierając sygnał zegarowy, który określa szybkość procesu. W rejestrze CP (licznik programu) adres pamięci, pod którym Jednostka sterująca (UC) wydaje polecenie pobrania instrukcji zapisanej w pamięci RAM w adresie pamięci w CP. Następnie pamięć RAM wysyła dane i jest umieszczana na szynie danych, aż który jest przechowywany w rejestrze instrukcji (RI). UC zarządza procesem, a instrukcja przechodzi do dekodera (D) w celu znalezienia znaczenia instrukcji. Następnie przechodzi przez UC do wykonania. Gdy wiadomo, co to jest instrukcja i jaką operację wykonać, oba są ładowane do rejestrów wejściowych ALU (REN). ALU wykonuje operację i umieszcza wynik w magistrala danych i CP dodaje się 1, aby wykonać następującą instrukcję.

Jak sprawdzić, czy procesor jest dobry

Aby wiedzieć, czy mikroprocesor jest dobry, czy zły, musimy spojrzeć na każdy z jego wewnętrznych elementów:

Szerokość autobusu

Szerokość magistrali określa rozmiar rejestrów, które mogą przez nią przepływać. Ta szerokość musi odpowiadać rozmiarowi rejestrów procesora. W ten sposób szerokość magistrali reprezentuje największy rejestr, który jest w stanie przetransportować w jednej operacji.

Bezpośrednio związana z magistralą będzie również pamięć RAM, musi ona być w stanie przechowywać każdy z tych rejestrów o szerokości, którą mają (jest to nazywane słowem szerokość pamięci).

To, co obecnie mamy, gdy szerokość magistrali wynosi 32 bity lub 64 bity, to znaczy możemy jednocześnie transportować, przechowywać i przetwarzać łańcuchy 32 lub 64 bity. Z 32 bitami, z których każdy może mieć wartość 0 lub 1, możemy zająć się ilością pamięci 2 ³² (4 GB), a 64 bitami - eksabajtami EB. Nie oznacza to, że mamy 16 eksabajtów pamięci na naszym komputerze, ale raczej oznacza zdolność do zarządzania pewną ilością pamięci i korzystania z niej. Stąd słynne ograniczenie systemów 32-bitowych do adresowania tylko 4 GB pamięci.

Krótko mówiąc, im szerszy autobus, tym większa wydajność pracy.

Pamięć podręczna

Te wspomnienia są znacznie mniejsze niż pamięć RAM, ale znacznie szybsze. Jego funkcją jest przechowywanie instrukcji, które właśnie zostaną przetworzone lub tych ostatnich. Im więcej pamięci podręcznej, tym wyższa prędkość transakcji, którą procesor może pobierać i upuszczać.

Tutaj musimy mieć świadomość, że wszystko, co dociera do procesora, pochodzi z dysku twardego, i można powiedzieć, że jest on znacznie wolniejszy niż pamięć RAM, a nawet bardziej niż pamięć podręczna. Z tego powodu te pamięci półprzewodnikowe zostały zaprojektowane w celu rozwiązania dużego wąskiego gardła, jakim jest dysk twardy.

I zadamy sobie pytanie, dlaczego więc nie tylko produkują duże skrzynki, odpowiedź jest prosta, ponieważ są bardzo drogie.

Szybkość procesora wewnętrznego

Szybkość Internetu jest prawie zawsze najbardziej uderzająca, gdy patrzy się na procesor. „Procesor działa z częstotliwością 3, 2 GHz”, ale co to jest? Prędkość to częstotliwość zegara, przy której pracuje mikroprocesor. Im wyższa ta prędkość, tym więcej operacji na jednostkę czasu będzie w stanie wykonać. Przekłada się to na wyższą wydajność, dlatego istnieje pamięć podręczna, która przyspiesza zbieranie danych przez procesor, aby zawsze wykonywać maksymalną liczbę operacji na jednostkę czasu.

Ta częstotliwość zegara jest podawana przez okresowy sygnał fali prostokątnej. Maksymalny czas na wykonanie operacji to jeden okres. Okres jest odwrotnością częstotliwości.

Ale nie wszystko zależy od prędkości. Na szybkość procesora wpływa wiele elementów. Jeśli na przykład mamy 4-rdzeniowy procesor o częstotliwości 1, 8 GHz i inny jednordzeniowy o częstotliwości 4, 0 GHz, to na pewno czterordzeniowy procesor jest szybszy.

Prędkość autobusu

Tak jak ważna jest szybkość procesora, równie ważna jest szybkość magistrali danych. Płyta główna zawsze działa na znacznie niższej częstotliwości taktowania niż mikroprocesor, dlatego będziemy potrzebować mnożnika, który dostosowuje te częstotliwości.

Jeśli na przykład mamy płytę główną z magistralą o częstotliwości taktowania 200 MHz, mnożnik 10x osiągnie częstotliwość procesora 2 GHz.

Mikroarchitektura

Mikroarchitektura procesora określa w nim liczbę tranzystorów na jednostkę odległości. Ta jednostka jest obecnie mierzona w nm (nanometrach) im jest ona mniejsza, tym większa liczba tranzystorów może zostać wprowadzona, a zatem większa liczba elementów i układów scalonych może być dostosowana.

Wpływa to bezpośrednio na zużycie energii, mniejsze urządzenia będą wymagały mniejszego przepływu elektronów, więc mniej energii będzie potrzebne do wykonywania tych samych funkcji, co w większej mikroarchitekturze.

Źródło: intel.es

Chłodzenie komponentów

Ze względu na ogromną prędkość osiągniętą przez CPU przepływ prądu wytwarza ciepło. Im wyższa częstotliwość i napięcie, tym większa generacja ciepła, dlatego konieczne jest schłodzenie tego elementu. Można to zrobić na kilka sposobów:

• Chłodzenie pasywne: za pomocą metalowych zlewów (miedzianych lub aluminiowych), które zwiększają powierzchnię kontaktu z powietrzem za pomocą żeber. Aktywne chłodzenie : Oprócz radiatora umieszczony jest również wentylator, aby zapewnić wymuszony przepływ powietrza między żebrami elementu pasywnego.

• Chłodzenie cieczą: składa się z obwodu złożonego z pompy i grzejnika żebrowego. Woda przepływa przez blok znajdujący się w CPU, element ciekły zbiera wytwarzane ciepło i przenosi je do grzejnika, który poprzez wymuszoną wentylację rozprasza ciepło, ponownie obniżając temperaturę cieczy.

Niektóre procesory zawierają radiator. Zwykle nie jest to wielka sprawa… ale służą one do uruchomienia komputera i jednoczesnego ulepszenia go

• Chłodzenie przez Heatpipes: system składa się z zamkniętego obwodu z rur miedzianych lub aluminiowych wypełnionych płynem. Ten płyn zbiera ciepło z procesora i paruje, unosząc się na szczyt systemu. W tym miejscu znajduje się żebrowany radiator, który wymienia ciepło płynu z wnętrza na powietrze zewnętrzne, w ten sposób płyn kondensuje się i opada z powrotem do bloku procesora.

Polecamy

To kończy nasz artykuł o tym, czym jest procesor i jak działa on szczegółowo. Mamy nadzieję, że Ci się podobało.