▷ Kas ir procesors un kā tas darbojas?

Šodien mēs redzēsim kādu aparatūru. Mūsu komandu veido liels skaits elektronisko komponentu, kas kopā spēj uzglabāt un apstrādāt datus. Procesors, centrālais procesors vai centrālais procesora bloks ir tā galvenā sastāvdaļa. Mēs runāsim par to, kas ir procesors, kas ir tā sastāvdaļas un kā tas darbojas detalizēti.

Gatavs? Sāksim!

Satura rādītājs

Kas ir procesors?

Pirmais, kas mums būs jādefinē, ir tas, kas ir mikroprocesors, lai zinātu visu pārējo. Mikroprocesors ir datora vai datora smadzenes, to veido integrēta shēma, kas iekapsulēta silīcija mikroshēmā, kuru veido miljoni tranzistoru. Tās funkcija ir apstrādāt datus, kontrolēt visu datora ierīču darbību, vismaz lielu daļu no tām, un pats galvenais: tā ir atbildīga par loģisko un matemātisko darbību veikšanu.

Ja mēs to saprotam, visi dati, kas cirkulē caur mūsu mašīnu, ir elektriski impulsi, kas sastāv no signāliem un nullēm, ko sauc par bitiem. Katrs no šiem signāliem ir sagrupēts bitu komplektā, kas veido instrukcijas un programmas. Mikroprocesors ir atbildīgs par visa šī jēgas izpratni, veicot pamatdarbības: SUM, SUBTRACT, AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE and INVERSE. Tad mums ir mikroprocesors:

• Tas dekodē un izpilda datora galvenajā atmiņā ielādēto programmu instrukcijas. Koordinē un kontrolē visas sastāvdaļas, kas veido datoru, un ar to savienotās perifērijas ierīces, peli, tastatūru, printeri, ekrānu utt.

Procesori parasti ir kvadrātveida vai taisnstūrveida formas un atrodas uz elementa, ko sauc par kontaktligzdu, kas piestiprināta pie mātesplates. Tas būs atbildīgs par datu izplatīšanu starp procesoru un pārējiem ar to saistītajiem elementiem.

Datora arhitektūra

Turpmākajās sadaļās mēs redzēsim visu procesora arhitektūru.

Von Neumann arhitektūra

Kopš mikroprocesoru izgudrošanas līdz mūsdienām to pamatā ir arhitektūra, kas sadala procesoru vairākos elementos, kurus mēs redzēsim vēlāk. To sauc par Von Neumann arhitektūru. Tā ir arhitektūra, kuru 1945. gadā izgudroja matemātiķis Von Neumann un kas apraksta digitālā datora dizainu, kas sadalīts daļās vai elementos.

Pašreizējie procesori joprojām lielā mērā balstās uz šo pamata arhitektūru, lai gan loģiski, ka līdz mūsdienīgo ārkārtīgi pilnīgo elementu ieviešanai ir ieviests daudz jaunu elementu. Vairāku numuru iespējamība vienā mikroshēmā, dažādu līmeņu atmiņas elementi, iebūvēts grafikas procesors utt.

Datora iekšējās daļas

Datora pamatdaļas saskaņā ar šo arhitektūru ir šādas:

• Atmiņa: ir elements, kurā tiek glabātas instrukcijas, kuras izpilda dators, un dati, uz kuriem šīs instrukcijas darbojas. Šīs instrukcijas sauc par programmu. Centrālais procesora bloks vai centrālais procesors: tas ir elements, kuru mēs iepriekš definējām. Tas ir atbildīgs par to instrukciju apstrādi, kuras tai tiek piegādātas no atmiņas. Ievades un izvades vienība: tā ļauj sazināties ar ārējiem elementiem. Datu kopnes: ir sliedes, sliedes vai kabeļi, kas fiziski savieno iepriekšējos elementus.

Mikroprocesora elementi

Definējis datora galvenās daļas un sapratis, kā informācija cirkulē caur to.

• Vadības bloks (UC): tas ir elements, kas atbild par pasūtījumu došanu, izmantojot vadības signālus, piemēram, pulksteni. Tas meklē instrukcijas galvenajā atmiņā un nosūta to izpildei komandu dekodētājam. Iekšējās daļas:
  1. Pulkstenis: Ģenerē kvadrātveida vilni procesora operāciju sinhronizēšanai. Programmas skaitītājs: satur nākamās izpildāmās instrukcijas atmiņas adresi. Instrukciju ieraksts: satur instrukciju, kas šobrīd tiek izpildīta. Secenceris: ģenerē elementāras komandas apstrādei mācību. Instrukciju dekodētājs (DI): tas ir atbildīgs par saņemto instrukciju interpretāciju un izpildi, kā arī instrukcijas operācijas koda iegūšanu.

• Loģiskā aritmētiskā vienība (ALU): tā ir atbildīga par aritmētisko aprēķinu veikšanu (SUM, SUBTRAKTĒŠANA, DAUDZPELIKĀCIJA, DIVISION) un loģiskajām operācijām (AND, OR,…). Iekšējās daļas.
  1. Darbības shēma: tie satur multipleksorus un shēmas darbību veikšanai. Ievades reģistri: dati tiek saglabāti un izmantoti pirms ieiešanas darba ķēdē. Akumulators: saglabā veikto darbību rezultātus Status register (Flag): saglabā noteiktus nosacījumus, kas jāņem vērā turpmākajās darbībās.

• Peldošā komata vienība (FPU): Šis elements nebija sākotnējā arhitektūras projektā, tas vēlāk tika ieviests, kad instrukcijas un aprēķini kļuva sarežģītāki ar grafiski attēloto programmu parādīšanos. Šī vienība ir atbildīga par peldošā komata operāciju, tas ir, reālo skaitļu, veikšanu. Ierakstu banka un kešatmiņa: Mūsdienu procesoriem ir nepastāvīga atmiņa, kas savieno no RAM uz centrālo procesoru. Tas ir daudz ātrāk nekā RAM, un tas ir atbildīgs par mikroprocesora piekļuves paātrināšanu galvenajai atmiņai.

• Priekšējās puses kopne (FSB): pazīstama arī kā datu kopne, galvenā kopne vai sistēmas kopne. Tas ir ceļš vai kanāls, kas sazinās mikroprocesoru ar mātesplati, īpaši ar mikroshēmu, ko sauc par ziemeļu tiltu vai Nothbridge. Tas ir atbildīgs par galvenā CPU kopnes, RAM un paplašināšanas pieslēgvietu, piemēram, PCI-Express, darbības kontroli. Šīs kopnes definēšanai tiek izmantoti Intel “Quick Path Interconnect” un AMD “Hypertransport”.

Avots: sleeperfurniture.co

Avots: ixbtlabs.com

• Aizmugurējās puses kopne (BSB): šī kopne komunicē 2. līmeņa kešatmiņu (L2) ar procesoru, ja vien tā nav integrēta pašā CPU kodolā. Pašlaik visiem mikroprocesoriem kešatmiņā ir iebūvēta pati mikroshēma, tāpēc šī kopne ir arī vienas mikroshēmas sastāvdaļa.

Divi vai vairāki mikroprocesori

Tajā pašā procesorā šie elementi ne tikai tiks izvietoti iekšpusē, bet arī tagad tiks atkārtoti. Mums būs vairāki apstrādes serdeņi vai arī tas, kas vienādi ir vairāki mikroprocesori vienības iekšienē. Katrai no tām būs sava kešatmiņa L1 un L2, parasti L3 tiek dalīta starp tām, pa pāriem vai kopā.

Papildus tam katram serdenim būs ALU, UC, DI un FPU, tāpēc ātrums un apstrādes jauda reizināsies atkarībā no tā, cik serdeņu tas ir. Mikroprocesoros parādās arī jauni elementi:

• Integrētais atmiņas kontrolieris (IMC): tagad, parādoties vairākiem kodoliem, procesoram ir sistēma, kas ļauj tieši piekļūt galvenajai atmiņai. Integrētais GPU (iGP) - GPU apstrādā grafikas apstrādi. Pārsvarā tās ir peldošā komata operācijas ar augsta blīvuma bitu virknēm, tāpēc apstrāde ir daudz sarežģītāka nekā parastie programmas dati. Sakarā ar to ir mikroprocesoru diapazoni, kas tajos iebūvē vienību, kas paredzēta tikai grafikas apstrādei.

Dažiem procesoriem, piemēram, AMD Ryzen, nav iekšējās grafiskās kartes. Tikai jūsu APU?

Mikroprocesora darbība

Procesors darbojas pēc norādījumiem, katrs no šiem norādījumiem ir noteikta paplašinājuma binārs kods, kuru CPU spēj saprast.

Tāpēc programma ir instrukciju kopums, un, lai to izpildītu, tā ir jāīsteno secīgi, tas ir, izpildot vienu no šīm instrukcijām katrā posmā vai laika posmā. Lai izpildītu instrukciju, ir vairākas fāzes:

• Instrukciju meklēšana: mēs atvedam instrukciju no atmiņas procesoram. Instrukciju dekodēšana: instrukcija tiek sadalīta vienkāršākos kodos, kas saprotami ar CPU darbināmu meklēšanu: ar CPU ielādētu instrukciju jums jāatrod atbilstošais operators . instrukcija: veiciet nepieciešamo loģisko vai aritmētisko darbību Rezultāta saglabāšana: rezultāts tiek saglabāts kešatmiņā

Katrs procesors darbojas ar noteiktu instrukciju kopu, kuras ir izstrādātas kopā ar procesoriem. Nosaukums x86 vai x386 attiecas uz instrukciju kopu, ar kuru procesors strādā.

Tradicionāli 32 bitu procesori tiek saukti arī par x86, tas tāpēc, ka šajā arhitektūrā viņi ir strādājuši ar šo Intel 80386 procesora instrukciju komplektu, kurš pirmais ieviesa 32 bitu arhitektūru.

Šis instrukciju komplekts ir jāatjaunina, lai darbotos efektīvāk un ar sarežģītākām programmām. Dažreiz mēs redzam, ka prasībās par programmas izpildi ir atrodami tādi akronīmi kā SSE, MMX utt. Šīs ir instrukcijas, kuras mikroprocesors var tikt galā. Tātad mums ir:

• SSE (straumējoši SIMD paplašinājumi): Viņi pilnvaroja CPU darboties ar peldošā komata operācijām. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 utt.: Dažādi šīs instrukcijas kopuma atjauninājumi.

Procesora nesaderība

Mēs visi atceramies, kad Apple operētājsistēma varēja darboties operētājsistēmā Windows vai Linux. Tas ir saistīts ar dažādu apstrādātāju norādījumiem. Apple izmantoja PowerPC procesorus, kas strādāja ar instrukcijām, kas nav Intel un AMD. Tādējādi ir vairāki instrukciju dizaini:

• CISC (komplekss instrukciju komplekts): Intel un AMD izmanto datoru, tas ir par dažu instrukciju kopuma izmantošanu, bet sarežģīts. Viņiem ir lielāks resursu patēriņš, jo tie ir pilnīgāki norādījumi, kuriem nepieciešami vairāki pulksteņa cikli. RISC (samazināts instrukciju komplekts): tas ir tas, ko izmanto Apple, Motorola, IBM un PowerPC, tie ir efektīvāki procesori ar vairāk instrukcijām, bet mazāk sarežģītu.

Pašlaik abas operētājsistēmas ir savietojamas, jo Intel un AMD savos procesoros ievieš arhitektūru kombināciju.

Instrukciju izpildes process

1. Procesors tiek restartēts, saņemot RESET signālu, šādā veidā sistēma sagatavojas pati, saņemot pulksteņa signālu, kas noteiks procesa ātrumu. CP reģistrā (programmas skaitītājs) atmiņas adrese, kurā Vadības bloks (UC) izdod komandu atnest norādījumus, kurus RAM ir saglabājis atmiņas adresē, kas ir CP. Pēc tam RAM nosūta datus, un tas tiek ievietots datu kopnē, līdz kas tiek saglabāts RI (Instrukciju reģistrā). UC pārvalda procesu un instrukcija tiek nodota dekodētājam (D), lai atrastu instrukcijas nozīmi. Pēc tam tas iet caur izpildāmo UC.Kad instrukcija ir zināma un veicamā darbība, abi tiek ielādēti ALU ievades reģistros (REN). ALU veic operāciju un rezultātu ievieto datu kopne un pievienota CP 1, lai izpildītu šo instrukciju.

Kā zināt, vai procesors ir labs

Lai uzzinātu, vai mikroprocesors ir labs vai slikts, mums jāaplūko katrs tā iekšējais komponents:

Autobusa platums

Autobusa platums nosaka reģistru lielumu, kas var cirkulēt caur to. Šim platumam jāatbilst procesora reģistru lielumam. Tādā veidā mums ir tas, ka kopnes platums ir lielākais reģistrs, ko tas spēj pārvadāt vienā operācijā.

Tieši ar autobusu saistīta arī RAM atmiņa, tai jāspēj uzglabāt katru no šiem reģistriem ar platumu, kāds tiem ir (to sauc par atmiņas vārda platumu).

Tas, kas mums šobrīd ir, kad kopnes platums ir 32 biti vai 64 biti, tas ir, mēs varam vienlaikus transportēt, uzglabāt un apstrādāt 32 vai 64 bitu ķēdes. Ar 32 bitiem katrā, kuru iespēja ir 0 vai 1, mēs varam adresēt atmiņas daudzumu 2 ³² (4 GB) un ar 64 bitiem 16 EB eksabātus. Tas nenozīmē, ka mums datorā ir 16 atmiņas eksabāti, bet tas drīzāk atspoguļo spēju pārvaldīt un izmantot noteiktu atmiņas daudzumu. Tādējādi slavenais 32 bitu sistēmu ierobežojums ir paredzēts tikai 4 GB atmiņai.

Īsāk sakot, jo plašāks autobuss, jo lielāka darba ietilpība.

Kešatmiņa

Šīs atmiņas ir daudz mazākas nekā RAM, bet daudz ātrāk. Tās funkcija ir glabāt instrukcijas, kuras tikko apstrādā vai pēdējās apstrādā. Jo vairāk kešatmiņas, jo lielāks ir transakcijas ātrums, ko CPU var uzņemt un nomest.

Šeit mums jāapzinās, ka viss, kas sasniedz procesoru, nāk no cietā diska, un var teikt, ka tas ir ārkārtīgi lēnāks par RAM un vēl jo vairāk par kešatmiņu. Šī iemesla dēļ šīs cietvielu atmiņas tika izstrādātas, lai atrisinātu lielo sašaurinājumu, kas ir cietais disks.

Un mēs sev jautāsim, kāpēc tad viņi ne tikai ražo lielas kešatmiņas, atbilde ir vienkārša, jo tās ir ļoti dārgas.

Iekšējā procesora ātrums

Interneta ātrums gandrīz vienmēr ir visspilgtākais, aplūkojot procesoru. "Procesors darbojas ar 3, 2 GHz frekvenci, " bet kas tas ir? Ātrums ir pulksteņa frekvence, pie kuras darbojas mikroprocesors. Jo lielāks šis ātrums, jo vairāk operāciju vienā laika vienībā tā varēs veikt. Tas nozīmē lielāku veiktspēju, tāpēc ir kešatmiņa, lai procesors paātrinātu datu vākšanu, lai vienmēr veiktu maksimālo operāciju skaitu vienā laika vienībā.

Šo pulksteņa frekvenci piešķir periodiska kvadrātveida viļņa signāls. Maksimālais operācijas veikšanas laiks ir viens periods. Periods ir frekvences apgrieztais.

Bet ne viss ir ātrums. Ir daudz komponentu, kas ietekmē procesora ātrumu. Ja, piemēram, mums ir 4-kodolu procesors ar frekvenci 1, 8 GHz un vēl viens vienkodolu-4, 0 GHz, ir pārliecināts, ka četrkodolu ir ātrāks.

Autobusa ātrums

Tāpat kā procesora ātrums ir svarīgs, svarīgs ir arī datu kopnes ātrums. Mātesplate vienmēr darbojas ar daudz zemāku takts frekvenci nekā mikroprocesors, šī iemesla dēļ mums būs nepieciešams reizinātājs, kas pielāgo šīs frekvences.

Ja, piemēram, mums ir mātesplate ar kopni ar 200 MHz takts frekvenci, 10x reizinātājs sasniegs CPU frekvenci 2 GHz.

Mikroarhitektūra

Procesora mikroarhitektūra nosaka tranzistoru skaitu uz attāluma vienību tajā. Šobrīd šo vienību mēra nm (nanometros), jo mazāks tas ir, jo lielāku tranzistoru skaitu var ieviest, un tāpēc, jo lielāks ir elementu un integrēto shēmu skaits.

Tas tieši ietekmē enerģijas patēriņu, mazākām ierīcēm būs nepieciešama mazāka elektronu plūsma, tāpēc būs nepieciešams mazāk enerģijas, lai veiktu tās pašas funkcijas kā lielākā mikroarhitektūrā.

Avots: intel.es

Detaļu dzesēšana

Sakarā ar milzīgo ātrumu, ko sasniedzis centrālais procesors, pašreizējā plūsma rada siltumu. Jo augstāka frekvence un spriegums būs, jo vairāk siltuma rodas, tāpēc ir nepieciešams šo komponentu atdzesēt. Ir vairāki veidi, kā to izdarīt:

• Pasīvā dzesēšana: ar metālisku izkliedētāju (vara vai alumīnija) palīdzību, kas ar spuru palīdzību palielina kontakta ar gaisu virsmu. Aktīvā dzesēšana : Papildus radiatoram ir uzstādīts arī ventilators, kas nodrošina piespiedu gaisa plūsmu starp pasīvā elementa spailēm.

• Šķidruma dzesēšana: to veido ķēde, ko veido sūknis un radiators ar atloku. Ūdens tiek cirkulēts caur bloku, kas atrodas CPU, šķidrais elements savāc radīto siltumu un transportē to uz radiatoru, kas ar piespiedu ventilācijas palīdzību izkliedē siltumu, atkal pazeminot šķidruma temperatūru.

Dažos procesoros ir iestrādāta radiatoru. Parasti tie nav liels darījums… bet tie kalpo tam, lai datoru izveidotu un darbinātu, kā arī vienlaikus uzlabotu

• Dzesēšana ar siltuma caurulēm: sistēma sastāv no slēgtas vara vai alumīnija cauruļu ķēdes, kas piepildīta ar šķidrumu. Šis šķidrums savāc siltumu no centrālā procesora un iztvaiko, paaugstinoties sistēmas augšpusē. Šajā brīdī ir atdalīts radiators, kas apmaina šķidruma siltumu no iekšpuses uz ārējo gaisu, šādā veidā šķidrums kondensējas un nokrīt atpakaļ uz CPU bloku.

Mēs iesakām

Tas noslēdz mūsu rakstu par to, kas ir procesors un kā tas darbojas detalizēti. Mēs ceram, ka jums patika.