▷ Mikä on prosessori ja miten se toimii

Tänään näemme laitteita. Tiimimme koostuu suuresta määrästä elektronisia komponentteja, jotka yhdessä pystyvät tallentamaan ja käsittelemään tietoja. Prosessori, CPU tai keskusyksikkö on sen pääkomponentti. Aiomme puhua siitä, mikä on prosessori, mitkä sen komponentit ovat ja kuinka se toimii yksityiskohtaisesti.

Ready? Aloitetaan!

Sisällysluettelo

Mikä on prosessori?

Ensimmäinen asia, joka meidän on määritettävä, on mitä mikroprosessori on tietää kaiken muun. Mikroprosessori on tietokoneen tai tietokoneen aivot, se koostuu piisirulle kapseloidusta integroidusta piiristä, joka koostuu miljoonista transistoreista. Sen tehtävänä on prosessoida tietoja, hallita kaikkien tietokonelaitteiden, ainakin suuren osan niistä, toimintaa ja mikä tärkeintä: se vastaa loogisten ja matemaattisten toimintojen suorittamisesta.

Jos ymmärrämme sen, kaikki koneemme kautta kiertävä tieto on sähköisiä impulsseja, jotka koostuvat niiden signaaleista ja nollia, joita kutsutaan biteiksi. Jokainen näistä signaaleista on ryhmitelty joukkoon bittejä, jotka muodostavat ohjeet ja ohjelmat. Mikroprosessori vastaa kaiken tämän ymmärtämisestä suorittamalla perustoiminnot: SUM, SUBTRACT, JA, TAI, MUL, DIV, OPPOSITE ja INVERSE. Sitten meidän on suoritettava mikroprosessori:

• Se dekoodaa ja suorittaa tietokoneen päämuistiin ladattujen ohjelmien ohjeet. Koordinoi ja ohjaa kaikkia tietokoneen muodostavia komponentteja ja siihen kytkettyjä oheislaitteita, hiirtä, näppäimistöä, tulostinta, näyttöä jne.

Suorittimet ovat tällä hetkellä yleensä neliön tai suorakaiteen muotoisia ja sijaitsevat emolevyyn kiinnitetyssä pistorasiassa. Tämä vastaa tietojen jakamisesta prosessorin ja siihen liitettyjen muiden elementtien välillä.

Tietokoneen arkkitehtuuri

Seuraavissa osioissa näemme prosessorin koko arkkitehtuurin.

Von Neumann arkkitehtuuri

Mikroprosessorien keksinnöstä lähtien tähän päivään asti, ne perustuvat arkkitehtuuriin, joka jakaa prosessorin useisiin elementteihin, jotka näemme myöhemmin. Tätä kutsutaan Von Neumann -arkkitehtuuriksi. Se on matemaatikko Von Neumannin vuonna 1945 keksimä arkkitehtuuri, joka kuvaa osien tai elementtien sarjaksi jaetun digitaalisen tietokoneen suunnittelua.

Nykyiset prosessorit perustuvat edelleen pääosin tähän perusarkkitehtuuriin, vaikka loogisesti suuri joukko uusia elementtejä on otettu käyttöön, kunnes meillä on tänään erittäin täydelliset elementit. Useiden numeroiden mahdollisuus samalla sirulla, muistielementit eri tasoilla, sisäänrakennettu grafiikkaprosessori jne.

Tietokoneen sisäosat

Tämän arkkitehtuurin mukaiset tietokoneen perusosat ovat seuraavat:

• Muisti: on osa, johon tietokoneen suorittamat ohjeet ja tiedot, joilla ohjeet toimivat, tallennetaan. Näitä ohjeita kutsutaan ohjelmaksi. Keskusyksikkö tai CPU: se on elementti, jonka olemme aiemmin määritelleet. Se vastaa muistista tulevien ohjeiden käsittelystä Tulo- ja lähtöyksikkö: se mahdollistaa tiedonsiirron ulkoisten elementtien kanssa. Tietoväylät: ovat raitoja, raitoja tai kaapeleita, jotka yhdistävät fyysisesti aikaisemmat elementit.

Mikroprosessorin elementit

Määritellessään tietokoneen pääosat ja ymmärtänyt kuinka informaatio kiertää sen läpi.

• Ohjausyksikkö (UC): Se on elementti, joka vastaa tilauksien antamisesta ohjaussignaalien, esimerkiksi kellon, kautta. Se etsii ohjeita päämuistista ja välittää ne käskydekooderille suorittaakseen. Sisäosat:
  1. Kello: Luo neliöaalon prosessorin toimintojen synkronoimiseksi. Ohjelmalaskuri: Sisältää seuraavan suoritettavan käskyn muistiosoitteen. Ohjekirja: Sisältää parhaillaan suorittavan käskyn. Sekvenssi: Luo elementtikäskyjä käsittelyä varten opetusta. Käskydekooderi (DI): se vastaa saapuvien käskyjen tulkinnasta ja suorittamisesta, käskyn operaatiokoodin purkamisesta.

• Looginen aritmeettinen yksikkö (ALU): se vastaa aritmeettisten laskutoimitusten (SUM, ESTÄMINEN, MONITOIMINEN, DIVISIOINTI) ja loogisten toimintojen (AND, OR,…) suorittamisesta. Sisäosat.
  1. Toimintapiiri: ne sisältävät multiplekserit ja piirit toimintojen suorittamiseksi. Sisäänsyöttörekisterit: tiedot tallennetaan ja käytetään ennen kuin ne tulevat toimintapiiriin. Akku: tallentaa suoritettujen toimintojen tulokset Status register (Flag): tallentaa tietyt ehdot, jotka on otettava huomioon seuraavissa operaatioissa.

• Liukulukuyksikkö (FPU): Tätä elementtiä ei ollut alkuperäisessä arkkitehtuurisuunnittelussa, se otettiin käyttöön myöhemmin, kun ohjeet ja laskelmat tulivat monimutkaisemmiksi graafisesti esitettyjen ohjelmien ulkonäön kanssa. Tämä yksikkö vastaa liukulukuoperaatioiden eli todellisten lukujen suorittamisesta. Levypankki ja välimuisti: Nykyisissä prosessoreissa on haihtuva muisti, joka yhdistää RAM: sta CPU: han. Tämä on paljon nopeampaa kuin RAM ja on vastuussa mikroprosessorin pääsyn nopeuttamisesta päämuistiin.

• Etupuolen väylä (FSB): Tunnetaan myös nimellä dataväylä, pääväylä tai järjestelmäväylä. Se on polku tai kanava, joka kommunikoi mikroprosessorin emolevyn kanssa, erityisesti sirun kanssa, jota kutsutaan pohjasiltaan tai nothbridgeen. Tämä vastaa pääprosessoriväylän, RAM-muistin ja laajennusporttien, kuten PCI-Expressin, toiminnan ohjaamisesta. Tämän väylän määrittelemiseen käytetyt termit ovat "Quick Path Interconnect" Intelille ja "Hypertransport" AMD: lle.

Lähde: sleeperfurniture.co

Lähde: ixbtlabs.com

• Takaosan BUS (BSB): tämä väylä viestii tason 2 välimuistin (L2) prosessorin kanssa, kunhan sitä ei ole integroitu itse CPU-ytimeen. Tällä hetkellä kaikilla mikroprosessoreilla on välimuisti sisäänrakennettuun siruun, joten tämä väylä on myös osa samaa sirua.

Kaksi tai useampia ydinprosessoreita

Samassa prosessorissa nämä elementit eivät vain jae sisällä, vaan ne ovat nyt jäljentää. Meillä on useita prosessorisydimiä tai mikä on sama useita mikroprosessoreita yksikössä. Jokaisella näistä on oma välimuisti L1 ja L2, normaalisti L3 jaetaan keskenään, pareittain tai yhdessä.

Tämän lisäksi meillä on ALU, UC, DI ja FPU jokaiselle ytimelle, joten nopeus ja käsittelykapasiteetti moninkertaistuvat sen ytimien lukumäärän mukaan. Uusia elementtejä ilmestyy myös mikroprosessorien sisään:

• Integroitu muistiohjain (IMC): Useiden ytimien ilmestyessä prosessorissa on järjestelmä, jonka avulla pääset suoraan päämuistiin. Integroitu GPU (iGP) - GPU käsittelee grafiikan käsittelyä. Nämä ovat useimmiten liukulukuoperaatioita, joilla on tiheysbittijonot, joten käsittely on paljon monimutkaisempaa kuin normaali ohjelmadata. Tästä syystä on olemassa mikroprosessorialueita, jotka toteuttavat niiden sisällä yksinomaan grafiikan käsittelyyn tarkoitetun yksikön.

Joillakin prosessoreilla, kuten AMD Ryzen, ei ole sisäistä näytönohjainta. Vain APUsi?

Mikroprosessorin toiminta

Suoritin toimii ohjeiden mukaan, kukin näistä ohjeista on binaarikoodi tietystä laajennuksesta, jonka CPU pystyy ymmärtämään.

Ohjelma on siis käskyjoukko, ja sen suorittamiseksi se on suoritettava peräkkäin, toisin sanoen suorittamalla yksi näistä käskyistä jokaisessa vaiheessa tai ajanjaksona. Käskyn suorittamiseksi on useita vaiheita:

• Ohjehaku: tuomme ohjeen muistista prosessoriin. Ohjeen dekoodaus: käsky on jaettu yksinkertaisempiin koodeihin, jotka CPU: n suorittama haku on ymmärrettävää: CPU : lle ladatun käskyn avulla on löydettävä vastaava operaattori . ohje: suorita tarvittava looginen tai aritmeettinen toimenpide Tuloksen tallentaminen: tulos välimuistissa

Jokainen prosessori toimii tietyillä ohjeilla, jotka ovat kehittyneet prosessorien kanssa. Nimi x86 tai x386 viittaa ohjejoukkoon, jonka kanssa prosessori työskentelee.

Perinteisesti 32-bittisiä prosessoreita on kutsuttu myös x86: ksi, mikä johtuu siitä, että tässä arkkitehtuurissa he ovat työskennelleet tämän ohjejoukon kanssa Intel 80386 -prosessorilta, joka otti ensimmäisenä käyttöön 32-bittisen arkkitehtuurin.

Tämä ohjekokonaisuus on päivitettävä toimimaan tehokkaammin ja monimutkaisempien ohjelmien kanssa. Joskus näemme, että ohjelman suorittamista koskevissa vaatimuksissa on joukko lyhenteitä, kuten SSE, MMX jne. Nämä ovat ohjeet, jotka mikroprosessori voi käsitellä. Joten meillä on:

• SSE (Streaming SIMD -laajennukset): He antoivat CPU: lle mahdollisuuden työskennellä liukulukujen kanssa. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 jne.: tämän ohjejoukon eri päivitykset.

Suorittimen yhteensopimattomuus

Me kaikki muistamme, kun Apple-käyttöjärjestelmä voisi toimia Windows- tai Linux-tietokoneessa. Tämä johtuu eri prosessorien ohjeista. Apple käytti PowerPC-prosessoreita, jotka toimivat muiden ohjeiden kuin Intelin ja AMD: n kanssa. Siksi käskymalleja on useita:

• CISC (Complex Instructions Set Computer): se on Intelin ja AMD: n käyttämä, kyse on muutamien ohjeiden käytöstä, mutta monimutkaisena. He käyttävät enemmän resursseja, koska ne ovat kattavampia ohjeita, jotka vaativat useita kellosyklejä. RISC (Reduced Instruction Set Computer): Apple, Motorola, IBM ja PowerPC käyttävät sitä. Nämä ovat tehokkaampia prosessoreita, joilla on enemmän ohjeita, mutta vähemmän monimutkaisia.

Tällä hetkellä molemmat käyttöjärjestelmät ovat yhteensopivia, koska Intel ja AMD toteuttavat prosessorissaan arkkitehtuurien yhdistelmän.

Käskyjen suorittamisprosessi

1. Prosessori käynnistyy uudelleen vastaanottaessaan RESET-signaalin, tällä tavoin järjestelmä valmistautuu vastaanottamalla kellosignaali, joka määrittää prosessin nopeuden. CP-rekisterissä (ohjelmalaskuri) muistiosoite, jolla Ohjausyksikkö (UC) antaa komennon noutaa käsky, jonka RAM on tallentanut CP: n muistiosoitteeseen. Sitten RAM lähettää tiedot ja sijoitetaan tietoväylään, kunnes joka on tallennettu RI: hen (käskyrekisteriin). UC hallitsee prosessia ja käsky siirtyy dekooderille (D) käskyjen merkityksen löytämiseksi. Tämä kulkee sitten suoritettavan UC: n läpi.Kun ohje on tiedossa ja suoritettava toimenpide, molemmat ladataan ALU-tulorekisteriin (REN). ALU suorittaa operaation ja sijoittaa tuloksen dataväylä ja CP lisätään 1 seuraavan ohjeen suorittamiseksi.

Kuinka tietää, onko prosessori hyvä

Jotta tietää, onko mikroprosessori hyvä vai huono, meidän on tarkasteltava jokaista sen sisäistä komponenttia:

Väylän leveys

Väylän leveys määrää rekistereiden koon, jotka voivat kiertää sen läpi. Tämän leveyden on vastattava suoritinrekisterien kokoa. Tällä tavalla meillä on, että väylän leveys edustaa suurinta rekisteriä, jonka se pystyy kuljettamaan yhdellä operaatiolla.

Suoraan väylään liittyvä on myös RAM-muisti, sen on kyettävä tallentamaan kaikki nämä rekisterit niillä olevalla leveydellä (tätä kutsutaan muistisanan leveydeksi).

Mitä meillä on tällä hetkellä, kun väylän leveys on 32 bittiä tai 64 bittiä, eli voimme samanaikaisesti kuljettaa, varastoida ja prosessoida 32 tai 64 bitin ketjuja. 32 bitillä, joilla kullakin on mahdollisuus olla 0 tai 1, voimme osoittaa muistin määrän, joka on 2 ³² (4 Gt), ja 64 bitillä, 16 EB Exabytes. Tämä ei tarkoita, että tietokoneellamme on 16 muistia kappaletta, vaan pikemminkin se edustaa kykyä hallita ja käyttää tiettyä määrää muistia. Tästä syystä 32-bittisten järjestelmien kuuluisa rajoitus koskea vain 4 Gt muistia.

Lyhyesti sanottuna, mitä leveämpi linja-auto, sitä enemmän työkykyä on.

Välimuisti

Nämä muistit ovat paljon pienempiä kuin RAM, mutta paljon nopeampia. Sen tehtävänä on tallentaa juuri prosessoitavat tai viimeisimmät prosessoitavat ohjeet. Mitä enemmän välimuistia, sitä suurempi tapahtumanopeus CPU voi poimia ja pudottaa.

Tässä yhteydessä meidän on oltava tietoinen siitä, että kaikki prosessoriin päästävä tulee kiintolevyltä, ja tämän voidaan sanoa olevan valtavasti hitaampi kuin RAM ja jopa enemmän kuin välimuisti. Juuri tästä syystä nämä puolijohdemuistit suunniteltiin ratkaisemaan suuri pullonkaula, joka on kiintolevy.

Ja kysymme itseltämme, miksi he eivät vain valmista vain suuria kätköjä, vastaus on yksinkertainen, koska ne ovat erittäin kalliita.

Sisäinen suorittimen nopeus

Internetin nopeus on melkein aina silmiinpistävin asia, kun tarkastellaan prosessoria. "Prosessori toimii 3, 2 GHz: n taajuudella", mutta mikä tämä on? Nopeus on kellotaajuus, jolla mikroprosessori toimii. Mitä suurempi tämä nopeus, sitä enemmän operaatioita aikayksikköä kohti se pystyy suorittamaan. Tämä tarkoittaa parempaa suorituskykyä, siksi on välimuisti, jotta prosessori nopeuttaa tiedonkeruua suorittaen aina suurimman määrän toimintoja aikayksikköä kohti.

Tämän kellotaajuuden antaa jaksollinen neliösignaali. Leikkauksen enimmäisaika on yksi jakso. Jakso on taajuuden käänteinen arvo.

Mutta kaikki ei ole nopeutta. On monia komponentteja, jotka vaikuttavat prosessorin nopeuteen. Jos meillä on esimerkiksi 4-ytimen prosessori taajuudella 1, 8 GHz ja toinen yhden ytimen prosessori 4, 0 GHz: llä, on varma, että nelikytkin on nopeampi.

Bussin nopeus

Aivan kuten prosessorin nopeus on tärkeä, myös dataväylän nopeus on tärkeä. Emolevy toimii aina paljon pienemmällä kellotaajuudella kuin mikroprosessori, tästä syystä tarvitsemme kertoimen, joka säätää näitä taajuuksia.

Jos meillä on esimerkiksi emolevy, jolla on väylä 200 MHz: n kellotaajuudella, 10x-kertoja saavuttaa CPU-taajuuden 2 GHz.

mikroarkkitehtuuria

Prosessorin mikroarkkitehtuuri määrittää transistorien lukumäärän etäisyysyksikköä kohti. Tätä yksikköä mitataan tällä hetkellä nm: ssä (nanometrit), mitä pienempi se on, sitä suurempi määrä transistoreita voidaan ottaa käyttöön, ja siksi, sitä enemmän elementtejä ja integroituja piirejä voidaan mukauttaa.

Tämä vaikuttaa suoraan energiankulutukseen, pienemmät laitteet tarvitsevat vähemmän elektronivirtausta, joten tarvitaan vähemmän energiaa samojen toimintojen suorittamiseen kuin suuremmassa mikroarkkitehtuurissa.

Lähde: intel.es

Komponenttien jäähdytys

Prosessorin saavuttaman valtavan nopeuden vuoksi nykyinen virtaus tuottaa lämpöä. Mitä korkeampi taajuus ja jännite, sitä enemmän lämpöä syntyy, siksi tämä komponentti on tarpeen jäähdyttää. Tähän on useita tapoja:

• Passiivinen jäähdytys: metallisilla dispergointilaitteilla (kupari tai alumiini), jotka lisäävät kosketuspintaa ilmaan evien avulla. Aktiivinen jäähdytys : Jäähdytyselementin lisäksi on myös tuuletin, joka tarjoaa pakotetun ilmavirran passiivisen elementin etureunojen väliin.

• Nestemäinen jäähdytys: se koostuu piiristä, joka koostuu pumpusta ja sulkijapatterista. Vesi kiertää CPU: ssa sijaitsevan lohkon läpi, nestemäinen elementti kerää syntyneen lämmön ja kuljettaa sen jäähdyttimeen, joka pakkotiivistuksella hajottaa lämpöä, alentaen jälleen nesteen lämpötilaa.

Jotkut prosessorit sisältävät jäähdytyselementin. Normaalisti ne eivät ole iso juttu… mutta niiden tarkoituksena on saada tietokone käyttöönsä ja käyttää sitä sekä parantaa sitä samalla

• Jäähdytys lämpöpipeillä: järjestelmä koostuu suljetusta kupari- tai alumiiniputkista, jotka on täytetty nesteellä. Tämä neste kerää lämpöä CPU: lta ja haihtuu nouseen järjestelmän yläosaan. Tässä vaiheessa on siivoitettu jäähdytyslevy, joka vaihtaa nesteen lämmön sisäpuolelta ulkoilmaan, tällä tavoin neste kondensoituu ja putoaa takaisin alaspäin CPU-lohkoon.

Suosittelemme

Tämä päättää artikkelin siitä, mikä on prosessori ja miten se toimii yksityiskohtaisesti. Toivomme että pidit siitä.