▷ Mi az a processzor és hogyan működik?

Ma meglátogatunk néhány hardvert. Csapatunk nagyszámú elektronikus alkatrészből áll, amelyek együttesen képesek adatok tárolására és feldolgozására. A processzor, a CPU vagy a központi feldolgozó egység a fő alkotóeleme. Arról fogunk beszélni, hogy mi a processzor, mi az alkatrészei és hogyan működik részletesen.

Kész vagy? Kezdjük!

Tartalom index

Mi a processzor?

Az első dolog, amit meg kell határoznunk, az, hogy mi a mikroprocesszor, hogy megismerje az összes mást. A mikroprocesszor egy számítógép vagy számítógép agya, egy szilikon chipbe beágyazott integrált áramkörből áll, amely több millió tranzisztorból áll. Feladata az adatok feldolgozása, a számítógép összes eszközének működésének ellenőrzése, legalábbis ezek nagy részén, és ami a legfontosabb: feladata a logikai és matematikai műveletek végrehajtása.

Ha észrevesszük, akkor az összes gépen átkerülő adat elektromos impulzusok, amelyek jeleiből és biteknek nevezett nullákból állnak. Ezek a jelek mindegyik bitcsoportba vannak csoportosítva, amelyek utasításokat és programokat alkotnak. A mikroprocesszor felel annak megértéséért, ha alapvető műveleteket hajt végre: SUM, SUBTRACT és, VAGY, MUL, DIV, OPPOSITE és INVERSE. Akkor a mikroprocesszor felé kell lépnünk:

• Dekódolja és végrehajtja a számítógép fő memóriájába betöltött programok utasításait. Koordinálja és vezérli a számítógépet alkotó összes komponenst, valamint a hozzá csatlakoztatott perifériákat, egeret, billentyűzetet, nyomtatót, képernyőt stb.

A processzorok általában négyzet vagy téglalap alakúak, és az alaplaphoz csatlakozó aljzaton vannak elhelyezve. Ez felel az adat elosztásáról a processzor és a hozzá kapcsolódó elemek többi része között.

A számítógép felépítése

A következő szakaszokban a processzor teljes architektúráját látjuk.

Von Neumann építészet

A mikroprocesszorok találmánya óta a mai napig építkezésen alapulnak, amely a processzort több elemre osztja, amelyeket később meglátunk. Ezt von Neumann építészetnek hívják. Ez egy építészet, amelyet 1945-ben találtak ki Von Neumann matematikus, és amely leírja egy digitális számítógép tervezését, amely részekre vagy elemekre sorolható.

A jelenlegi processzorok továbbra is nagyrészt ezen az alapvető architektúrán alapulnak, bár logikai szempontból nagyszámú új elem került bevezetésre, amíg meg nem kapjuk a ma rendkívül komplett elemeket. Több szám lehetősége ugyanabban a chipben, különböző szintű memória elemek, beépített grafikus processzor stb.

A számítógép belső alkatrészei

A számítógép ezen architektúra szerinti alapelemei a következők:

• Memória: az az elem, amelyben a számítógép által végrehajtott utasításokat és az adatokat, amelyeken az utasítások működnek, tárolják. Az utasításokat programnak nevezzük. Központi feldolgozó egység vagy CPU: ez az elem, amelyet korábban meghatározunk. A memóriából származó utasítások feldolgozásáért felel. Bemeneti és kimeneti egység: lehetővé teszi a kommunikációt a külső elemekkel. Adatbuszok: azok a sínek, sávok vagy kábelek, amelyek fizikailag összekötik az előző elemeket.

A mikroprocesszor elemei

Meghatározta a számítógép fő részeit és megértette, hogyan áramlik az információ rajta keresztül.

• Vezérlőegység (UC): ez az elem a felelős a vezérlőjelek, például az óra révén megrendelések kiadásáért. Keress utasításokat a fő memóriában, és továbbítja azokat az utasítás dekódolóhoz végrehajtáshoz. Belső részek:
  1. Óra: Négyszöghullámot generál a processzor műveleteinek szinkronizálására. Programszámláló: A következő végrehajtandó utasítás memóriacímét tartalmazza. Utasításrekord: A jelenleg végrehajtó utasításokat tartalmazza. Szekvencer: Elemi parancsok generálása a feldolgozáshoz oktatás. Utasítási dekóder (DI): felel az érkező utasítások értelmezéséért és végrehajtásáért, valamint az utasítás műveleti kódjának kibontásáért.

• Logikai aritmetikai egység (ALU): felel a számtani számítások (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) és a logikai műveletek (AND, OR,…) elvégzéséért. Belső részek.
  1. Működési áramkör: a multiplexereket és az áramköröket tartalmazzák a műveletek végrehajtásához. Belépési nyilvántartások: az adatokat az operációs körbe való belépés előtt tárolják és kezelik. Akkumulátor: tárolja az elvégzett műveletek eredményeit Status register (Flag): tárol bizonyos feltételeket, amelyeket figyelembe kell venni a következő műveletek során.

• Lebegőpontos egység (FPU): Ez az elem nem volt az eredeti építészeti tervben, később bevezették, amikor az utasítások és a számítások összetettebbé váltak a grafikusan ábrázolt programok megjelenésével. Ez az egység felel a lebegőpontos műveletek végrehajtásáért, azaz a valós számokért. Rekordbank és gyorsítótár: A mai processzoroknak változékony memóriája van, amely a RAM-ról a CPU-ra áthidalja. Ez sokkal gyorsabb, mint a RAM, és felelõs a mikroprocesszor fõ memóriához való hozzáférésének felgyorsításáért.

• Front Side Bus (FSB): Adatbusznak, fő busznak vagy rendszerbusznak is nevezik. Ez az út vagy csatorna kommunikálja a mikroprocesszort az alaplapgal, nevezetesen az északi híd vagy nothbridge nevű chippel. Ez felelős a fő CPU-busz, a RAM és a bővítő portok, például a PCI-Express működésének ellenőrzéséért. A busz meghatározásához használt kifejezések a "Quick Path Interconnect" az Intel számára és a "Hypertransport" az AMD számára.

Forrás: sleeperfurniture.co

Forrás: ixbtlabs.com

• Hátsó busz (BSB): ez a busz kommunikálja a 2. szintű gyorsítótár memóriát (L2) a processzorral, mindaddig, amíg nincs beépítve a CPU magjába. Jelenleg az összes mikroprocesszor cache-memóriája be van építve a chipbe, tehát ez a busz ugyanabba a chipbe tartozik.

Két vagy több mag mikroprocesszor

Ugyanebben a processzorban nem csak ezeket az elemeket fogjuk elosztani belül, hanem ezeket most megismételjük. Több feldolgozómagunk lesz, vagy mi ugyanaz a több mikroprocesszor az egységben. Mindegyiknek megvan a saját L1 és L2 gyorsítótára, általában az L3 meg van osztva közöttük, párban vagy együtt.

Ezen felül mindegyik maghoz ALU, UC, DI és FPU lesz, tehát a sebesség és a feldolgozási kapacitás megsokszorozódik, a magok számától függően. Új elemek jelennek meg a mikroprocesszorokban is:

• Integrált memóriavezérlő (IMC): Most, hogy több mag megjelenik, a processzornak olyan rendszere van, amely lehetővé teszi a fő memória közvetlen elérését. Integrált GPU (iGP) - A GPU kezeli a grafikus feldolgozást. Ezek többnyire lebegőpontos műveletek nagy sűrűségű bitszálakkal, tehát a feldolgozás sokkal összetettebb, mint a normál programadatok. Ennek köszönhetően vannak olyan mikroprocesszor-sorozatok, amelyek bennük egy kizárólag a grafikafeldolgozásra szentelt egységet valósítanak meg.

Egyes processzorok, például az AMD Ryzen, nem rendelkeznek belső grafikus kártyával. Csak az APU-k?

Mikroprocesszor működése

A processzor utasítások szerint működik, ezek az utasítások egy bizonyos kiterjesztés bináris kódja, amelyet a CPU képes megérteni.

A program tehát utasítások halmaza, és annak végrehajtásához egymás után kell végrehajtani, vagyis ezen utasítások egyikét minden lépésben vagy időszakonként végrehajtani. Az utasítás végrehajtásához több szakasz van:

• Utasításkeresés: az utasításokat a memóriából a processzorhoz vezetjük. Utasítások dekódolása: az utasítás fel van osztva a CPU által érthetőbb egyszerűbb kódokra: a CPU-ba betöltött utasításokkal meg kell találni a megfelelő operátort . utasítás: hajtsa végre a szükséges logikai vagy számtani műveletet Az eredmény mentése: az eredmény gyorsítótárban van

Minden processzor egy bizonyos utasításkészlettel működik, ezek a processzorokkal együtt fejlődtek. Az x86 vagy x386 név az utasításkészletre utal, amelyen a processzor dolgozik.

A hagyományosan 32 bites processzorokat x86-nak is hívják, ez azért van, mert ebben az architektúrában az Intel 80386 processzor ezen utasításkészletével dolgoztak, amely az első 32 bites architektúrát valósított meg.

Ezt az utasításkészletet frissíteni kell a hatékonyabb és összetettebb programokkal történő működés érdekében. Néha azt látjuk, hogy a program futtatásához szükséges követelményekben szerepelnek rövidítések, például SSE, MMX stb. Ezek azok az utasítások, amelyekkel a mikroprocesszor képes kezelni. Tehát:

• SSE (Streaming SIMD kiterjesztések): Felhatalmazták a CPU-kat, hogy lebegőpontos műveletekkel dolgozzanak. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 stb.: Az utasításkészlet különféle frissítései.

A processzor inkompatibilitása

Mindannyian emlékszem, mikor futhatott egy Apple operációs rendszer Windows vagy Linux számítógépen. Ennek oka a különböző processzorok utasításainak típusa. Az Apple PowerPC processzorokat használt, amelyek az Intel és az AMD kivételével más utasításokkal működtek. Tehát számos utasításmintázat létezik:

• CISC (Összetett utasításkészlet-számítógép): az Intel és az AMD által használt, néhány utasításkészlet használatáról szól, de összetett. Nagyobb erőforrás-felhasználással bírnak, mivel teljesebb utasítások, amelyekhez több óraciklus szükséges. RISC (csökkentett utasításkészlet-számítógép): az Apple, a Motorola, az IBM és a PowerPC használják, ezek hatékonyabb processzorok, több utasításokkal, de kevésbé összetettséggel.

Jelenleg mindkét operációs rendszer kompatibilis, mivel az Intel és az AMD architektúrák kombinációját valósítja meg processzorukban.

Utasítás-végrehajtási folyamat

1. A processzor újraindul, amikor RESET jelet vesz, így a rendszer felkészül egy órajel fogadására, amely meghatározza a folyamat sebességét. A CP regiszterben (programszámláló) az a memória cím, amelyen a A vezérlőegység (UC) kiadja a parancsot az utasítás lehívására, amelyet a RAM a CP memóriacímében tárolt. Ezután a RAM elküldi az adatokat, és az adat buszon helyezi, amíg amelyet az RI (utasítások nyilvántartása) tárol. Az UC kezeli a folyamatot, és az utasítás átadódik a dekódernek (D), hogy megtalálja az utasítás jelentését. Ez ezután megy keresztül a végrehajtandó UC-n. Miután ismert, hogy mi az utasítás és milyen műveletet kell végrehajtani, mindkettőt betöltik az ALU bemeneti regiszterekbe (REN).Az ALU végrehajtja a műveletet, és az eredményt az adatbusz és a CP hozzáadódik 1 az alábbi utasítás végrehajtásához.

Hogyan lehet tudni, hogy a processzor jó-e?

Annak megismeréséhez, hogy egy mikroprocesszor jó vagy rossz, meg kell vizsgálnunk annak minden belső elemét:

Busz szélessége

A busz szélessége meghatározza a rajta keringő regiszterek méretét. Ennek a szélességnek meg kell egyeznie a processzor regisztrációinak méretével. Ilyen módon azt látjuk, hogy a busz szélessége jelenti a legnagyobb nyilvántartást, amelyet egyetlen művelettel képes szállítani.

A buszhoz közvetlenül kapcsolódó RAM memória is lesz, képesnek kell lennie arra, hogy ezeket a regisztereket mindegyikük szélességével tárolja (ezt memóriaszó szélességének hívják).

Amit jelenleg kapunk, amikor a buszszélesség 32 bit vagy 64 bit, vagyis egyszerre tudjuk szállítani, tárolni és feldolgozni a 32 vagy 64 bit hosszú láncokat. 32 bittel, amelyek mindegyike lehet 0 vagy 1, 2 ³² (4 GB) memóriamennyiséget képes kezelni, és 64 bittel 16 EB exabitát. Ez nem azt jelenti, hogy a számítógépen 16 Exaby memória van, hanem inkább azt jelenti, hogy képesek-e egy bizonyos memóriamennyiséget kezelni és használni. Ezért a 32 bites rendszerek híres korlátozása csak 4 GB memória tárolására szolgál.

Röviden: minél szélesebb a busz, annál nagyobb a munkakapacitás.

Gyorsítótár memória

Ezek az emlékek sokkal kisebbek, mint a RAM, de sokkal gyorsabbak. Feladata az éppen feldolgozásra kerülő vagy az utoljára feldolgozott utasítások tárolása. Minél több gyorsítótár van, annál nagyobb a tranzakció sebessége, amelyet a CPU felvehet és le tud dobni.

Itt tudnunk kell, hogy minden, ami a processzort eléri, a merevlemezről származik, és ezt mondhatjuk, hogy rendkívül lassú, mint a RAM és még inkább, mint a gyorsítótár. Ez az oka annak, hogy ezeket a szilárdtest memóriákat arra tervezték, hogy megoldják a nagy szűk keresztmetszetet, amely a merevlemez.

És megkérdezzük magunktól, hogy miért nem csak nagyméretű gyorsítótárakat gyártanak, a válasz egyszerű, mert nagyon drágák.

Belső processzor sebessége

Az internet sebessége szinte mindig a legszembetűnőbb dolog, amikor egy processzort nézünk. "A processzor 3, 2 GHz frekvencián működik", de mi ez? A sebesség az az órajel-frekvencia, amelyen a mikroprocesszor működik. Minél nagyobb ez a sebesség, annál több műveletet képes végrehajtani időegységenként. Ez nagyobb teljesítményt eredményez, ezért van gyorsítótár-memória, amely felgyorsítja az adatgyűjtést a processzor által, hogy az időegységenként mindig a lehető legtöbb műveletet végezzék.

Ezt az órafrekvenciát periodikus négyszöghullám jelzi. A művelet végrehajtásának maximális ideje egy időszak. Az időszak a frekvencia fordított értéke.

De nem minden a sebesség. Sok összetevő befolyásolja a processzor sebességét. Ha például van egy 4 magos processzorunk 1, 8 GHz-en és egy egymagos processzor 4, 0 GHz-en, akkor biztos, hogy a négymagos gyorsabb.

Busz sebessége

Csakúgy, mint a processzor sebessége, az adatbusz sebessége is fontos. Az alaplap mindig sokkal alacsonyabb órajel-frekvencián működik, mint a mikroprocesszor, ezért szükségünk lesz egy szorzóra, amely ezeket a frekvenciákat beállítja.

Például, ha van egy alaplap egy busszal, amelynek frekvenciája 200 MHz, egy 10-szeres szorzó eléri a 2 GHz CPU frekvenciát.

mikroarchitektúra

A processzor mikroarchitektúrája meghatározza a benne lévő távolság egységére eső tranzisztorok számát. Ezt az egységet jelenleg nm-ben (nanométerben) mérik, minél kisebb, annál nagyobb a tranzisztorok száma, és ezért minél nagyobb az elemek és az integrált áramkörök száma.

Ez közvetlenül befolyásolja az energiafogyasztást, a kisebb eszközöknek kevesebb elektronáramra van szükségük, így kevesebb energiára van szükség ahhoz, hogy ugyanazokat a funkciókat elvégezzék, mint egy nagyobb mikroarchitektúrában.

Forrás: intel.es

Alkatrészek hűtése

A CPU által elért hatalmas sebesség miatt az áram áram hőt termel. Minél nagyobb a frekvencia és a feszültség, annál nagyobb a hőtermelés, ezért ki kell lehűteni ezt az alkatrészt. Ennek többféle módja van:

• Passzív hűtés: fémes diszpergálókkal (réz vagy alumínium), amelyek uszonyok révén növelik a levegővel való érintkezés felületét. Aktív hűtés : A hűtőborda mellett ventilátort helyeznek el, amely kényszerített levegőáramot biztosít a passzív elem bordái között.

• Folyadékhűtés: egy szivattyúból és egy szárnyas radiátorból álló áramkörből áll. A vizet a CPU-ban lévő blokkon keresztül keringtetik, a folyékony elem összegyűjti a keletkező hőt és továbbjuttatja a radiátorba, amely kényszerített szellőztetés útján eloszlatja a hőt, és ezáltal ismét csökkenti a folyadék hőmérsékletét.

Néhány processzor hűtőbordaval rendelkezik. Általában nem nagy ügy… de a számítógép üzembe helyezéséhez és egyidejű fejlesztéséhez szolgálnak

• Hőcsövekkel történő hűtés: a rendszer folyadékkal töltött réz- vagy alumíniumcsövek zárt köréből áll. Ez a folyadék összegyűjti a hőt a CPU-tól és elpárolog a rendszer tetejére. Ezen a ponton van egy vékony hűtőborda, amely a folyadék hőjét kicseréli belülről a külső levegőre, így a folyadék kondenzálódik és visszaesik a CPU blokkhoz.

Javasoljuk

Ez befejezi a cikkünket arról, hogy mi a processzor és hogyan működik részletesen. Reméljük, tetszett neki.