▷ Suorittimen osat ulkopuolella ja sisällä: peruskäsitteet?

Tietysti kaikki tiedämme karkeasti, mikä on CPU, mutta tiedämmekö oikeasti , mitkä prosessorin osat ovat ? Jokainen tärkeimmistä, jotka ovat tarpeen tämän pienen piin neliön käsittelemiseksi suuria määriä tietoa, jotta ihmiskunta voidaan siirtää aikakauteen, jossa ilman elektronisia järjestelmiä olisi täydellinen häiriö.

Jalostajat ovat jo osa jokapäiväistä elämäämme, erityisesti ihmisille, jotka ovat syntyneet viimeisen 20 vuoden aikana. Monet ovat kasvaneet täysin sekoittuneina tekniikkaan, puhumattakaan pienistä, jotka tuovat älypuhelimen aseiden alle leivän sijasta… Kaikissa näissä laitteissa on yhteinen elementti, nimeltään prosessori, joka vastaa "älykkyyden" antamisesta koneet ympärillämme. Jos tätä elementtiä ei olisi, tietokoneilla, matkapuhelimilla, roboteilla ja kokoonpanolinjoilla, lyhyesti sanottuna, kaikilla ei olisi työtä… mutta on mahdotonta päästä sinne, missä olemme tehneet ne, Matrix-kaltaista maailmaa ei ole vielä olemassa, mutta kaikki menee.

Sisällysluettelo

Mikä on prosessori ja miksi se on niin tärkeä

Ensinnäkin, meidän on oltava tietoisia siitä, että tietokoneessa ei ole vain prosessoria. Kaikissa sähköisissä laitteissa on elementti, joka toimii prosessorina, olipa se sitten digitaalinen kello, ohjelmoitava automaatti tai älypuhelin.

Mutta tietenkin, meidän on myös oltava tietoisia siitä, että prosessorit voivat niiden ominaisuuksista ja valmistetusta riippuen olla enemmän tai vähemmän monimutkaisia, yksinkertaisesti peräkkäisten binaarikoodien suorittamisesta LED-paneelin valaistamiseen, valtavien määrien käsittelyyn tietoa, mukaan lukien oppiminen heiltä (koneoppiminen ja tekoäly).

Espanjan kielen CPU tai keskusyksikkö on elektroninen piiri, joka pystyy suorittamaan ohjelmaan sisältyvät tehtävät ja ohjeet. Näitä ohjeita yksinkertaistetaan huomattavasti ja ne lasketaan aritmeettisiin peruslaskelmiin (summaaminen, vähentäminen, kertoaminen ja jakaminen), loogisiin toimintoihin (JA, TAI, EI, EI, NAND) ja tulo / lähtö (I / O) -ohjaukseen. laitteista.

Sitten suoritin on elementti, joka vastaa kaikkien ohjelman ohjeiden muodostavien toimintojen suorittamisesta. Jos asetamme itsemme koneen näkökulmaan, nämä operaatiot pelkistetään yksinkertaisiksi nollaketjuiksi ja ns. Biteiksi, joita kutsutaan biteiksi ja jotka edustavat nykyisiä / pitkäaikaisia ​​tiloja muodostaen siten binaarisia loogisia rakenteita, joihin jopa ihminen pystyy. ymmärtää ja ohjelmoida konekoodilla, asentajalla tai ylemmän tason ohjelmointikielellä.

Transistorit, kaiken syylliset

Prosessoreita ei olisi olemassa, ainakin yhtä pieniä, elleivät ne olisivat transistoreita varten. Ne ovat niin sanotusti perusyksikkö kaikista suorittimista ja integroiduista piireistä. Se on puolijohdelaite, joka sulkee tai avaa sähköpiirin tai vahvistaa signaalia. Tällä tavalla pystymme luomaan sellaisia ​​ja nollia, binaarikielen, jonka CPU ymmärtää.

Nämä transistorit käynnistyivät tyhjiöventtiileinä, valtavina lamppumaisina laitteina, jotka pystyvät suorittamaan transistorin kaltaisen kytkennän, mutta joissa on mekaaniset elementit tyhjiössä. ENIAC: n tai EDVAC: n kaltaisissa tietokoneissa oli tyhjiöventtiilejä transistorien sijaan. Ne olivat erittäin suuria ja käyttivät käytännössä pienen kaupungin energiaa. Nämä koneet olivat ensimmäisiä Von Neumann -arkkitehtuurilla.

Mutta 1950–60-luvulla alettiin luoda ensimmäisiä transistoriprosessoreita - itse asiassa se oli IBM vuonna 1958, kun se loi ensimmäisen puolijohde-transistoripohjaisen koneensa IBM 7090: llä. Sittemmin kehitys oli mahtava, valmistajat, kuten Intel ja myöhemmin AMD, alkoivat luoda ensimmäisiä prosessoreita pöytätietokoneille, toteuttaen vallankumouksellisen x86-arkkitehtuurin Intel 8086 -prosessorin ansiosta. Itse asiassa jopa tänään työpöytäprosessorimme perustuvat tähän arkkitehtuuriin, näemme myöhemmin x86-prosessorin osat.

Tämän jälkeen arkkitehtuuri alkoi muuttua entistä monimutkaisemmaksi, pienemmillä siruilla ja myös ensimmäistä kertaa lisäämällä ytimiä sisällä, ja sitten ytimillä, jotka on erityisesti omistettu grafiikan käsittelyyn. Jopa erittäin nopea muistipankki nimeltään välimuisti ja yhteysväylä päämuistin, RAM: n kanssa, otettiin käyttöön näiden pienten sirujen sisällä.

Suorittimen ulkoiset osat

Tämän prosessorien historian lyhyen katsauksen jälkeen, kunnes päivinämme on, näemme, mitä ulkoisia elementtejä nykyisellä prosessorilla on. Puhumme fyysisistä elementeistä, joita voidaan koskea ja jotka ovat käyttäjän näkökulmassa. Tämä auttaa meitä ymmärtämään paremmin prosessorin fyysisiä ja liitettävyyttä koskevia tarpeita.

pistorasia

CPU-liitäntä tai pistorasia on sähkömekaaninen järjestelmä, joka on kiinteästi asennettu emolevylle ja joka vastaa prosessorin yhdistämisestä muiden kortin elementtien ja tietokoneen kanssa. Markkinoilla on useita perustyyppejä pistorasioista ja myös monilla eri kokoonpanoilla. Nimesi tai nimimerkissäsi on kolme elementtiä, jotka saavat meidät ymmärtämään, mistä me puhumme:

Valmistaja voi olla Intel tai AMD henkilökohtaisten tietokoneiden tapauksessa, tämä on jotain helppoa ymmärtää. Yhteystyypistä on kolme eri tyyppiä:

• LGA: (ruudukkontaktiryhmä) tarkoittaa, että kosketinnastat on asennettu itse pistorasiaan, kun taas suorittimella on vain litteä kosketinryhmä. PGA: (ruudukkokokoelma nastoja), se on juuri päinvastainen kuin edellinen, prosessorissa on tapit ja pistorasia reikiä niiden asettamiseksi. BGA: (palloruudukko), tässä tapauksessa suoritin juotetaan suoraan emolevyyn.

Viimeisimmäksi numeroksi määritetään CPU: n jakelurasian jakautumistapa tai kytkentätappien lukumäärä. Niitä on valtava määrä sekä Intelissä että AMD: ssä.

kasvualusta

Substraatti on pohjimmiltaan piirilevy, johon on asennettu piisiru, joka sisältää ytimien elektronisen piirin, nimeltään DIE. Nykyisissä prosessoreissa voi olla useampi kuin yksi näistä elementeistä asennettu erikseen.

Mutta myös tämä pieni piirilevy sisältää koko liitäntätappien matriisin emolevyn pistorasialla, melkein aina kullattu, jotta voitaisiin parantaa sähkön siirtoa, ja suojattu ylikuormituksilta ja virtapiireiltä kondensaattorien muodossa.

DIE

DIE on juuri neliö tai siru, joka sisältää prosessorin kaikki integroidut piirit ja sisäiset komponentit. Visuaalisesti sitä pidetään pienenä mustana elementtinä, joka ulkonee substraatista ja on kosketuksessa lämmönpoistoelementtiin.

Koska koko prosessointijärjestelmä on sen sisällä, DIE saavuttaa uskomattoman korkeat lämpötilat, joten sitä on suojattava muilla elementeillä.

IHS

Kutsutaan myös DTS tai integroitua lämpöhajottajaa, ja sen tehtävänä on tallentaa prosessorin ytimien kaikki lämpötilat ja siirtää ne jäähdytyselementtiin, jonka tämä elementti on asentanut. Se on valmistettu kuparista tai alumiinista.

Tämä elementti on arkki tai kotelo, joka suojaa DIE: tä ulkopuolelta ja voi olla suorassa kosketuksessa sen kanssa teräspastalla tai hitsaamalla suoraan. Mukautetussa pelilaitteessa käyttäjät poistavat tämän IHS: n asettaakseen jäähdytyselementit suoraan kosketukseen DIE: n kanssa käyttämällä lämpöpastaa nestemäisessä metalliyhdisteessä. Tätä prosessia kutsutaan Deliddingiksi ja sen tarkoituksena on parantaa huomattavasti prosessorin lämpötiloja.

siili

Viimeinen elementti, joka on vastuussa niin paljon lämmöstä kuin mahdollista ja siirtää sen ilmakehään. Ne ovat pieniä tai suuria alumiinista ja kuparipohjaisista lohkoista varustettuja puhaltimia, jotka auttavat jäähdyttämään koko pinnan pakkoilmavirran avulla evien läpi.

Jokainen PC-prosessori tarvitsee jäähdytyslevyn toimiakseen ja pitääkseen lämpötilansa hallinnassa.

Nämä ovat prosessorin osia ulkoisesti, nyt näemme teknisen osan, sen sisäiset komponentit.

Von Neumann arkkitehtuuri

Nykypäivän tietokoneet perustuvat Von Neumannin arkkitehtuuriin. Hän oli matemaatikko, joka vastasi historian ensimmäisten tietokoneiden elämästä vuonna 1945, ENIAC ja sen muut suuret ystävät. Tämä arkkitehtuuri on periaatteessa tapa, jolla tietokoneen elementit tai komponentit jaetaan siten, että sen toiminta on mahdollista. Se koostuu neljästä perusosasta:

• Ohjelma ja datamuisti: se on elementti, johon prosessorissa suoritettavat ohjeet tallennetaan. Se koostuu tallennusasemista tai kiintolevyistä, RAM-muistista ja ohjelmista, jotka sisältävät itse ohjeet. Keskusyksikkö tai CPU: tämä on prosessori, yksikkö, joka ohjaa ja käsittelee kaikkia tietoja, jotka tulevat päämuistista ja syöttölaitteista. Tulo- ja lähtöyksiköt: mahdollistaa tiedonsiirron keskusyksikköön kytkettyjen oheislaitteiden ja komponenttien kanssa. Fyysisesti voimme tunnistaa ne emolevyn aukkoiksi ja porteiksi. Tietoväylät: ovat ratoja, ratoja tai kaapeleita, jotka yhdistävät fyysisesti elementit.PCU: ssa ne jaetaan ohjausväylään, dataväylään ja osoiteväylään.

Usean ytimen prosessorit

Ennen kuin aloitamme prosessorin sisäisten komponenttien luettelon, on erittäin tärkeää tietää, mitkä ovat prosessorin ytimet ja niiden toiminta siinä.

Suorittimen ydin on integroitu piiri, joka vastaa tarvittavien laskelmien suorittamisesta sen läpi kulkevien tietojen kanssa. Jokainen prosessori toimii tietyllä taajuudella, mitattuna MHz: ssä, mikä osoittaa operaatioiden lukumäärän, jonka se pystyy suorittamaan. No, nykyisillä prosessoreilla ei ole vain ydin, vaan useita, kaikilla niillä on samat sisäiset komponentit ja jotka pystyvät suorittamaan ja ratkaisemaan ohjeet samanaikaisesti jokaisessa kellosyklissä.

Joten jos ydinprosessori voi suorittaa yhden käskyn jokaisessa jaksossa, jos sillä olisi ollut 6, se voisi suorittaa 6 näistä käskyistä samassa jaksossa. Tämä on dramaattinen suorituskyvyn päivitys, ja juuri sen tekevät nykypäivän prosessorit. Mutta meillä ei ole vain ytimiä, mutta myös prosessointiketjuja, jotka ovat kuin eräänlaisia ​​loogisia ytimiä, joiden läpi ohjelman säikeet kiertävät.

Vieraile artikkelissamme: mitkä ovat prosessorin ketjut? Erot ytimien kanssa tietää enemmän aiheesta.

Suorittimen sisäosat (x86)

On olemassa monia erilaisia ​​mikroprosessoriarkkitehtuureja ja -konfiguraatioita, mutta meitä kiinnostava on se, joka on tietokoneidemme sisällä, ja tämä epäilemättä saa nimen x86. Voimme nähdä sen suoraan fyysisesti tai kaavamaisesti tehdäksemme siitä hieman selkeämmän, tietäen, että kaikki tämä on DIE: n sisällä.

Meidän on pidettävä mielessä, että ohjausyksikkö, aritmeettinen-loginen yksikkö, rekisterit ja FPU ovat läsnä jokaisessa suorittimen ytimessä.

Katsotaanpa ensin tärkeimpiä sisäisiä komponentteja:

Ohjausyksikkö

Englanniksi nimeltään Conrol Unit tai CU, se vastaa prosessorin toiminnan ohjaamisesta. Se tekee tämän antamalla komentoja ohjaussignaalien muodossa RAM: lle, aritmeettisen logiikan yksikölle sekä syöttö- ja lähtölaitteille, jotta he tietävät kuinka hallita prosessorille lähetettäviä tietoja ja ohjeita. Esimerkiksi he keräävät tietoja, suorittavat laskelmia ja tallentavat tuloksia.

Tämä yksikkö varmistaa, että muut komponentit toimivat synkronoinnissa kello- ja ajoitussignaaleilla. Lähes kaikilla prosessoreilla on tämä yksikkö sisällä, mutta sanotaan, että se on sen ulkopuolella, joka on itse käsittelyn ydin. Voimme puolestaan ​​erottaa sen sisällä seuraavat osat:

• Kello (CLK): sen tehtävänä on tuottaa neliösignaali, joka synkronoi sisäiset komponentit. On myös muita kelloja, jotka vastaavat tästä elementtien välisestä synkroniasta, esimerkiksi kertoimet, jotka näemme myöhemmin. Ohjelmalaskuri (CP): sisältää seuraavan suoritettavan käskyn muistiosoitteen. Ohjerekisteri (RI): tallentaa suorittaman käskyn Sekvensseri ja dekooderi: tulkitsee ja suorittaa ohjeet komentojen avulla

Aritmeettinen-looginen yksikkö

Tiedät varmasti sen lyhenteellä “ALU”. ALU vastaa kaikkien aritmeettisten ja loogisten laskelmien suorittamisesta kokonaislukuilla bittitasolla, tämä yksikkö toimii suoraan ohjeiden (operandien) ja operaation kanssa, jonka ohjausyksikkö on määrännyt sen suorittamaan (operaattori).

Operandit voivat tulla joko prosessorin sisäisistä rekistereistä tai suoraan RAM-muistista, ne voidaan generoida jopa itse ALU: ssa toisen operaation seurauksena. Tämän tulos on toiminnan tulos, joka on toinen sana, joka tallennetaan rekisteriin. Nämä ovat sen perusosia:

• Sisääntulorekisterit (REN): ne pitävät niissä arvioitavat operandit. Toimintakoodi: CU lähettää operaattorille niin, että operaatio suoritetaan Akkumulaattori tai tulos: Operaation tulos tulee ALU: sta binaarisena sanana Status register (Flag): se tallentaa erilaiset olosuhteet, jotka otetaan huomioon toiminnan aikana.

Liukulukuyksikkö

Tunnet sen nimellä FPU tai liukulukuyksikkö. Pohjimmiltaan se on uuden sukupolven prosessorien suorittama päivitys, joka on erikoistunut kelluvien pisteiden toimintojen laskentaan matemaattisen kopioprosessorin avulla. On yksiköitä, jotka voivat jopa suorittaa trigonometrisiä tai eksponentiaalisia laskelmia.

Pohjimmiltaan se on mukautus prosessorien suorituskyvyn parantamiseksi graafisessa prosessoinnissa, missä suoritettavat laskelmat ovat paljon raskaampia ja monimutkaisempia kuin normaalissa ohjelmissa. Joissain tapauksissa FPU: n toiminnot suorittaa ALU itse käyttämällä käskymikrokoodia.

asiakirjat

Nykyisillä prosessoreilla on niin kutsuttu oma tallennusjärjestelmä, ja pienin ja nopein yksikkö on rekisterit. Periaatteessa se on pieni varasto, jossa prosessoitavat ohjeet ja niistä saadut tulokset tallennetaan.

Välimuisti

Seuraava tallennustaso on välimuisti, joka on myös erittäin nopea muisti, paljon enemmän kuin RAM-muisti, joka vastaa prosessorin välittömässä käytössä olevien ohjeiden tallentamisesta. Tai ainakin yrität tallentaa ohjeet, joita luulet käytettäväksi, koska joskus ei ole muuta vaihtoehtoa kuin pyytää niitä suoraan RAM: lta.

Nykyisten prosessorien välimuisti on integroitu suorittimen samaan DIE: hen, ja se on jaettu yhteensä kolmeen tasoon, L1, L2 ja L3:

• Taso 1 välimuisti (L1): Se on pienin lokien jälkeen ja nopein kolmesta. Jokaisella käsittelyydinnällä on oma L1-välimuisti, joka puolestaan ​​on jaettu kahteen osaan, L1 Data, joka vastaa tietojen tallentamisesta, ja L1 käsky, joka tallentaa suoritettavat ohjeet. Se on yleensä 32 kt. Tason 2 välimuisti (L2) - Tämä muisti on hitaampi kuin L2, mutta myös suurempi. Tyypillisesti jokaisella ytimellä on oma L2, joka voi olla noin 256 kt, mutta tässä tapauksessa sitä ei ole integroitu suoraan ydinpiiriin. Tason 3 välimuisti (L3): Se on hitain kolmesta, vaikkakin paljon nopeampi kuin RAM. Se sijaitsee myös ytimien ulkopuolella ja on jakautunut useiden ytimien kesken. Se on välillä 8–16 Mt, vaikka erittäin tehokkaissa suorittimissa se jopa 30 Mt.

Saapuvat ja lähtevät bussit

Väylä on viestintäkanava tietokoneen muodostavien eri elementtien välillä. Ne ovat fyysisiä linjoja, joiden läpi data kiertää sähkön muodossa, ohjeet ja kaikki prosessointiin tarvittavat elementit. Nämä väylät voidaan sijoittaa suoraan prosessorin sisään tai sen ulkopuolelle, emolevylle. Tietokoneessa on kolmen tyyppisiä linja-autoja:

• Dataväylä: varmasti helpoin ymmärtää, koska se on väylä, jonka kautta eri komponenttien lähettämät ja vastaanottamat tiedot kiertävät prosessoriin tai prosessorilta. Tämä tarkoittaa, että se on kaksisuuntainen väylä ja sen läpi kiertää 64 bitin pituisia sanoja, pituuden, jonka prosessori pystyy käsittelemään. Esimerkki dataväylästä on LANES tai PCI Express Lines, jotka kommunikoivat CPU: n esimerkiksi PCM-korttipaikkojen kanssa, esimerkiksi näytönohjaimen kanssa. Osoiteväylä: osoiteväylä ei kierrä tietoja, mutta muistiosoitteet paikantaaksesi missä muistiin tallennettu data on. RAM on kuin iso soluihin jaettu tietovarasto, ja jokaisella näistä soluista on oma osoite. Prosessori kysyy tietoja muistista lähettämällä muistiosoitteen. Tämän osoitteen on oltava yhtä suuri kuin soluilla on RAM-muisti. Tällä hetkellä prosessori voi osoittaa jopa 64 bitin muistiosoitteita, eli pystymme käsittelemään jopa 2 ⁶⁴ solun muistit. Ohjausväylä: ohjausväylä vastaa kahden aikaisemman väylän hallinnasta käyttämällä ohjaus- ja ajoitussignaaleja synkronoidun ja tehokkaan kaiken prosessorille tai prosessorista kiertävän tiedon hyödyntämiseksi. Se olisi kuin lentokentän lennonjohtotorni.

BSB, tulo- / lähtöyksikkö ja kertoja

On tärkeätä tietää, että nykyisillä prosessoreilla ei ole perinteistä FSB- tai Front Bus -väylää, joka toimitti CPU: n kommunikointiin emolevyn muiden elementtien kanssa, esimerkiksi piirisarjan ja oheislaitteiden kanssa pohjasillan ja eteläisen sillan kautta. Tämä johtuu siitä, että itse väylä on asetettu CPU: hon tulo- ja lähtö (I / O) -datanhallintayksikönä, joka kommunikoi RAM suoraan prosessorin kanssa ikään kuin se olisi vanha pohjoinen silta. Tekniikat, kuten AMD: n HyperTransport tai Intelin HyperThreading, vastaavat tietojenvaihdon hallinnasta korkean suorituskyvyn prosessoreilla.

BSB tai takaosan väylä on väylä, joka vastaa mikroprosessorin yhdistämisestä omaan välimuistiin, tavallisesti L2- välimuistiin. Tällä tavoin etuväylä voidaan vapauttaa melko kuormasta, ja siten tuoda välimuistien nopeus vielä lähemmäksi ytimen nopeutta.

Ja lopuksi meillä on kertoja, jotka ovat prosessorin sisällä tai ulkopuolella sijaitsevia elementtejä, jotka vastaavat CPU-kellon ja ulkoisten väylien kellon suhteen mittaamisesta. Tässä vaiheessa tiedämme, että CPU on kytketty väylien kautta elementteihin, kuten RAM, piirisarja ja muut oheislaitteet. Näiden kertoimien ansiosta on mahdollista, että suorittimen taajuus on paljon nopeampi kuin ulkoiset väylät, jotta pystytään käsittelemään enemmän dataa.

Esimerkiksi x10: n kertoja antaa järjestelmän, joka toimii 200 MHz: llä, työskennellä CPU: lla 2000 MHz: llä. Nykyisissä prosessoreissa voimme löytää yksiköitä, joissa kerroin on auki, mikä tarkoittaa, että voimme lisätä sen taajuutta ja siten sen käsittelynopeutta. Kutsumme tätä ylikellotukseksi.

IGP tai sisäinen näytönohjain

Lopuksi prosessorin osilla emme voi unohtaa integroitua grafiikkayksikköä, jota jotkut niistä kantavat. Ennen kuin olemme nähneet, mikä FPU on, ja tässä tapauksessa meillä on edessään jotain vastaavaa, mutta paljon enemmän voimaa, koska pohjimmiltaan ne ovat sarja ytimiä, jotka pystyvät käsittelemään itsenäisesti joukkueemme grafiikkaa, jotka matemaattisissa tarkoituksissa ovat valtava määrä liukulukulaskelmia ja grafiikan renderointia, joka olisi erittäin prosessori-intensiivinen.

IGP toimii samalla tavalla kuin ulkoinen näytönohjain, se, jonka asensimme PCI-Express-paikkaan, vain pienemmässä mittakaavassa tai virta. Sitä kutsutaan integroiduksi grafiikkaprosessoriksi, koska se on samaan prosessoriin asennettu integroitu piiri, joka vapauttaa keskusyksikön tämän monimutkaisten prosessien sarjasta. Se on hyödyllinen, kun meillä ei ole näytönohjainta, mutta tällä hetkellä sillä ei ole näihin verrattavaa suorituskykyä.

Sekä AMD: llä että Intelillä on yksiköt, jotka integroivat IGP: n CPU: hon, joten niitä kutsutaan APU: ksi (Accelerated Processing Unit). Esimerkki tästä on melkein kaikki i-perheen Intel Core, AMD Athlon ja jotkut Ryzen.

Päätelmät prosessorin osista

No, olemme tulleet tämän pitkän artikkelin loppuun, jossa näemme enemmän tai vähemmän perustiedot prosessorin osista, sekä ulkoisesta että sisäisestä näkökulmasta. Totuus on, että se on erittäin mielenkiintoinen aihe, mutta pirun monimutkainen ja kauan selitettävä, jonka yksityiskohdat ovat ymmärrettävissä melkein meille kaikille, jotka eivät ole upotettuina tämän tyyppisten laitteiden kokoonpanolinjoihin ja valmistajiin.

Nyt jätämme sinulle muutamia oppaita, jotka saattavat olla mielenkiintoisia sinulle.

Jos sinulla on kysyttävää tai haluat selventää mitä tahansa artikkelissa olevaa ongelmaa, pyydämme sinua kirjoittamaan sen kommenttiruutuun. Aina on hyvä saada toisten mielipide ja viisaus.