▷ Шта је процесор и како функционише

Данас ћемо видети нешто хардвера. Наш тим чини велики број електронских компоненти које заједно могу да чувају и обрађују податке. Процесор, ЦПУ или централна процесна јединица су његова главна компонента. Разговараћемо о томе шта је процесор, које су његове компоненте и како детаљно функционише.

Спреман? Кренимо!

Садржај индекс

Шта је процесор?

Прво што ћемо морати да дефинишемо је шта микропроцесор зна све остало. Микропроцесор је мозак рачунара или рачунара, а састоји се од интегрисаног круга капсулираног у силиконски чип који чини милион транзистора. Његова функција је обрада података, контрола рада свих уређаја рачунара, барем великог дела њих и што је најважније: задужен је за обављање логичких и математичких операција.

Ако то схватимо, сви подаци који круже нашом машином су електрични импулси, сачињени од сигнала једних и нула названих битова. Сваки од ових сигнала групиран је у скуп битова који чине упутства и програме. Микропроцесор је задужен да има смисла за све то изводећи основне операције: СУМ, СУБТРАЦТ и, ИЛИ, МУЛ, ДИВ, ОППОСИТЕ И ИНВЕРСЕ. Онда морамо микропроцесору:

• Декодира и извршава упутства програма учитаних у главној меморији рачунара. Координира и контролира све компоненте које чине рачунар и периферне уређаје који су на њега повезани, миш, тастатура, штампач, екран итд.

Процесори су обично квадратног или правоугаоног облика и налазе се на елементу званом утичница причвршћеном на матичну плочу. Ово ће бити одговорно за дистрибуцију података између процесора и осталих елемената који су на њега повезани.

Архитектура рачунара

У следећим одељцима видећемо целокупну архитектуру процесора.

Вон Неуманн архитектура

Од проналаска микропроцесора до данас, заснивају се на архитектури која процесор дели на неколико елемената које ћемо видети касније. То се зове Вон Неуманн архитектура. То је архитектура коју је 1945. године измислио математичар Вон Неуманн и која описује дизајн дигиталног рачунара подељеног у низ делова или елемената.

Тренутни процесори се још увек заснивају на овој основној архитектури, мада је логично уведен велики број нових елемената док не будемо имали изузетно комплетне елементе које данас имамо. Могућност више бројева на истом чипу, меморијских елемената на различитим нивоима, уграђеног графичког процесора итд.

Унутрашњи делови рачунара

Основни делови рачунара у складу са овом архитектуром су следећи:

• Меморија: елемент је на којем се чувају упуте које рачунар извршава и подаци на којима упуте раде. Ова упутства се називају програм. Централна процесна јединица или ЦПУ: то је елемент који смо претходно дефинисали. Задужена је за обраду упутстава која јој долазе из меморије.Улазна и излазна јединица: омогућава комуникацију са спољним елементима. Сабирнице података: су стазе, стазе или каблови који физички повезују претходне елементе.

Елементи микропроцесора

Дефинишући главне делове рачунара и разумејући како информације круже кроз њега.

• Управљачка јединица (УЦ): то је елемент који је задужен за наређивање путем контролних сигнала, на пример, сата. Упуте претражују у главној меморији и прослеђују их декодеру упутстава за извршење. Унутрашњи делови:
  1. Сат: генерише квадратни талас за синхронизацију операција процесора Бројач програма: Садржи меморијску адресу следеће инструкције која треба да се изврши Снимање упутства: Садржи инструкцију која тренутно извршава Секуенцер: Генерише елементарне команде за обраду инструкције. Декодер упутства (ДИ): задужен је за интерпретацију и извршавање упутстава која стижу, вађење оперативног кода инструкције.

• Логичка аритметичка јединица (АЛУ): задужена је за израду аритметичких израчуна (СУМ, СУБТРАКЦИЈА, МУЛТИПЛИКАЦИЈА, ДИВИЗИЈА) и логичке операције (И, ИЛИ,…). Унутрашњи делови.
  1. Оперативни круг: садрже мултиплексере и склопове за обављање операција. Регистри улаза: подаци се чувају и управљају пре уласка у оперативни круг Акумулатор: чува резултате изведених операција Регистар статуса (застава): чува одређене услове који се морају узети у обзир у наредним операцијама.

• Јединица с плутајућом тачком (ФПУ): Овај елемент није био у оригиналном архитектонском дизајну, касније је уведен када су упуте и прорачуни постали сложенији с изгледом графички представљених програма. Ова јединица је одговорна за обављање операција са плутајућом тачком, односно реалних бројева. Банка записа и кеш меморија : Данашњи процесори имају нестабилну меморију која премошћује РАМ меморију и ЦПУ. Ово је много брже од РАМ-а и одговорно је за убрзавање приступа микропроцесора главној меморији.

• Предња бочна магистрала (ФСБ): Позната и као магистрала података, главна магистрала или системска магистрала. Стаза или канал комуницира микропроцесор са матичном плочом, тачније са чипом који се зове северни мост или нотхбридге. Ово је одговорно за контролу рада главне ЦПУ сабирнице, РАМ-а и портова за проширење као што је ПЦИ-Екпресс. Изрази који се користе за дефинисање ове магистрале су "Куицк Патх Интерцоннецт" за Интел и "Хипертранспорт" за АМД.

Извор: слееперфурнитуре.цо

Извор: икбтлабс.цом

• Задња страна БУС (БСБ): ова сабирница комуницира с кеш меморијом нивоа 2 (Л2) све док није интегрирана у само језгро ЦПУ-а. Тренутно сви микропроцесори имају кеш меморију уграђену у сам чип, тако да је овај сабирник такође део истог чипа.

Два или више језгра микропроцесора

У истом процесору не само да ћемо ове елементе дистрибуирати изнутра, већ ћемо их сада реплицирати. Имаћемо неколико језгара за процесирање или оно што је исто неколико микропроцесора у јединици. Сваки од њих имаће свој предмеморију Л1 и Л2, обично Л3 се дели између њих, у паровима или заједно.

Поред овога имаћемо АЛУ, УЦ, ДИ и ФПУ за свако језгро, тако да се брзина и капацитет обраде множе у зависности од броја језгара које има. И у микропроцесорима се појављују нови елементи:

• Интегрисани меморијски контролер (ИМЦ): Сада са појавом неколико језгара процесор има систем који вам омогућава директан приступ главној меморији. Интегрисани ГПУ (иГП) - ГПУ рукује графичком обрадом. То су углавном операције с плутајућом тачком с низовима битова велике густине, па је обрада много сложенија од уобичајених програмских података. Због тога постоје микропроцесорски распони који у њих имплементирају јединицу намењену искључиво графичкој обради.

Неки процесори, попут АМД Ризен-а, немају интерну графичку картицу. Само АПУ-ови?

Рад микропроцесора

Процесор ради по упутствима, а свако од ових упутстава је бинарни код одређеног проширења које ЦПУ може да разуме.

Програм је, дакле, скуп упутстава и да би се његово извршавање морало изводити узастопно, односно извршавајући једно од ових упутстава у сваком кораку или периоду. Да бисте извршили инструкцију, постоји неколико фаза:

• Претрага упутстава: преносимо инструкцију из меморије у процесор Декодирање упутстава: инструкција је подељена на једноставније кодове који су разумљиви од стране ЦПУ-а. Операција претраживања: са упутама која се учитавају у ЦПУ морате пронаћи одговарајућег оператора. Извршење упутство: извршите потребну логичку или аритметичку операцију Спремање резултата: резултат се кешира

Сваки процесор ради са одређеним низом упутстава, која су се развијала заједно са процесорима. Назив к86 или к386 односи се на скуп упутстава са којима ради процесор.

Традиционално се 32-битни процесори називају и к86, то је зато што су у овој архитектури радили са овим низом упутстава из процесора Интел 80386 који је први увео 32-битну архитектуру.

Овај скуп упутстава треба надоградити за ефикаснији рад и са сложенијим програмима. Понекад видимо да у захтеве за програм који се покреће долази и низ кратица као што су ССЕ, ММКС, итд. Ово су скуп упутстава са којима се може руковати микропроцесор. Дакле, имамо:

• ССЕ (Стреаминг СИМД Ектенсионс): Омогућили су ЦПУ-е да раде са операцијама са помичним зарезом. ССЕ2, ССЕ3, ССЕ4, ССЕ5 итд.: Различита ажурирања овог скупа упутстава.

Компатибилност процесора

Сви се сећамо када би се оперативни систем Аппле могао покренути на Виндовс или Линук рачунару. Ово је због врсте упутстава различитих процесора. Аппле је користио ПоверПЦ процесоре, који су радили са упутствима која нису Интел и АМД. Дакле, постоји неколико дизајна упутстава:

• ЦИСЦ (Цомплек Инструцтион Сет Цомпутер): то је онај који користе Интел и АМД, ради се о коришћењу низа од неколико упутстава, али сложен. Имају већу потрошњу ресурса, што су потпунија упутства која захтевају неколико циклуса сата. РИСЦ (Редуцед Инструцтион Сет Цомпутер): то су они који користе Аппле, Моторола, ИБМ и ПоверПЦ, ово су ефикаснији процесори са више упутстава, али мањом сложеношћу.

Тренутно су оба оперативна система компатибилна јер Интел и АМД имплементирају комбинацију архитектура у своје процесоре.

Процес извршења упутства

1. Процесор се поново покреће приликом примања РЕСЕТ сигнала, на овај начин систем се припрема тако што прима сигнал сата који ће одредити брзину процеса. У регистру ЦП (програмском бројачу) се меморијска адреса на којој се налази Управљачка јединица (УЦ) издаје наредбу за преузимање упутства које је РАМ меморисала у меморијској адреси која се налази у ЦП-у. Тада РАМ шаље податке и поставља се у магистралу података док која се чува у РИ (Регистар упута). УЦ управља процесом и инструкција прелази у декодер (Д) да би пронашла смисао инструкције. Затим се пролази кроз УЦ који ће се извршити. Након што је познато упутство и која се операција треба извести, оба се учитавају у АЛУ улазне регистре (РЕН). АЛУ извршава операцију и резултат ставља у поље сабирница података и ЦП се додаје 1 да изврши следеће упутство.

Како знати да ли је процесор добар

Да бисмо знали да ли је микропроцесор добар или лош, морамо погледати сваку његову унутрашњу компоненту:

Ширина сабирнице

Ширина сабирнице одређује величину регистра који могу да круже кроз њу. Ова ширина мора одговарати величини регистара процесора. На овај начин имамо да ширина сабирнице представља највећи регистар који је способан да превози у једној операцији.

Директно повезана са сабирницом бит ће и РАМ меморија, она мора бити у могућности да похрани сваки од тих регистара са ширином коју имају (то се назива ширина ријечи меморије).

Оно што тренутно имамо када је ширина сабирнице 32 бита или 64 бита, то јест да можемо истовремено да транспортујемо, складиштимо и обрађујемо ланце од 32 или 64 бита. Са 32 бита од којих сваки може бити 0 или 1, можемо адресирати количину меморије од 2 ³² (4ГБ) и са 64 битова 16 ЕБ Екабајта. То не значи да на нашем рачунару имамо 16 екабајта меморије, већ представља могућност управљања и коришћења одређене количине меморије. Отуда познато ограничење 32-битних система за адресирање само 4 ГБ меморије.

Укратко, што је аутобус шири, то је већи радни капацитет.

Кеш меморија

Ове меморије су много мање од РАМ-а, али много брже. Његова функција је да складишти упутства која ће се тек обрадити или последња обрадити. Што је више кеш меморије, већа је брзина трансакције коју ЦПУ може да подигне и испусти.

Овде морамо бити свесни да све што дође до процесора долази са чврстог диска, и за ово се може рећи да је страшно спорије од РАМ-а, чак и више од кеш меморије. Из тог разлога су та ССД меморија створена да реше велико уско грло које је чврсти диск.

И запитаћемо се, зашто онда они не производе само велике кешеве, одговор је једноставан, јер су веома скупи.

Интерна брзина процесора

Брзина интернета готово увек је најупечатљивија када се гледа процесор. "Процесор ради на 3, 2 ГХз", али шта је ово? Брзина је тактна фреквенција на којој микропроцесор ради. Што је већа ова брзина, то ће више операција по јединици времена бити могуће да изведе. То се претвара у веће перформансе, зато постоји кеш меморија, да би процесор убрзао прикупљање података, тако да увек обавља максималан број операција по јединици времена.

Ова тактна фреквенција се даје периодичним квадратним таласним сигналом. Максимално време за операцију је једно време. Период је обрнут од фреквенције.

Али није све брзина. Постоје многе компоненте које утичу на брзину процесора. Ако на пример имамо четворојезгарни процесор на 1, 8 ГХз и још један једнојезгарни на 4, 0 ГХз, сигурно је да је четворојезгарни бржи.

Брзина аутобуса

Као што је брзина процесора важна, брзина сабирнице података је такође важна. Матична плоча увек ради на знатно нижој такт фреквенцији од микропроцесора, па ће нам требати мултипликатор који прилагођава ове фреквенције.

Ако на пример имамо матичну плочу са сабирницом на тактној фреквенцији 200 МХз, 10к мултипликатор ће достићи фреквенцију ЦПУ-а од 2 ГХз.

Микроархитектура

Микроархитектура процесора одређује број транзистора по јединици растојања у њему. Ова јединица се тренутно мери у нм (нанометрима) што је мањи, то је већи број транзистора могуће увести, и самим тим се може сместити већи број елемената и интегрисаних кола.

То директно утиче на потрошњу енергије, мањим уређајима ће бити потребан мањи проток електрона, тако да ће бити потребно мање енергије за обављање истих функција као у већој микроархитектури.

Извор: интел.ес

Хлађење компонената

Због огромне брзине коју ЦПУ постиже, тренутни проток ствара топлоту. Што је већа фреквенција и напон, то ће бити већа производња топлоте, па је потребно да се ова компонента охлади. Постоји неколико начина да се то постигне:

• Пасивно хлађење: помоћу металних дисипатора (бакра или алуминијума) који повећавају површину додира са ваздухом помоћу пераја. Активно хлађење : Поред хладњака, постављен је и вентилатор који обезбеђује принудни проток ваздуха између ребара пасивног елемента.

• Течно хлађење: састоји се од круга састављеног од пумпе и ребрастог радијатора. Вода циркулише кроз блок који се налази у ЦПУ-у, течни елемент сакупља насталу топлоту и преноси је до радијатора, који помоћу присилне вентилације расипа топлоту, поново снижавајући температуру течности.

Неки процесори укључују хладњак. Обично то није велика ствар… али они служе да се рачунар покрене и покрене и да га истовремено побољшају

• Хлађење Хеатпипес-ом: систем се састоји од затвореног круга бакарних или алуминијумских цеви напуњених течношћу. Ова течност скупља топлину из ЦПУ-а и испари се подижећи до врха система. У овом тренутку постоји ребрасти хладњак који измењује топлоту течности изнутра у спољни ваздух, на тај се начин течност кондензује и спушта назад у ЦПУ блок.

Ми препоручујемо

Овим закључујемо наш чланак о томе шта је процесор и како детаљно функционише. Надамо се да вам се свидело.