▷ Ce este un procesor și cum funcționează

Astăzi vom vedea ceva hardware. Echipa noastră este alcătuită dintr-un număr mare de componente electronice care, împreună, sunt capabile să stocheze și să proceseze date. Componenta principală a procesorului, procesorului sau unității centrale de procesare. Vom vorbi despre ce este un procesor, care sunt componentele sale și cum funcționează în detaliu.

Gata? Să începem!

Indice de conținut

Ce este un procesor?

Primul lucru pe care va trebui să-l definim este ce înseamnă un microprocesor pentru a cunoaște orice altceva. Microprocesorul este creierul unui computer sau computer, este alcătuit dintr-un circuit integrat încapsulat într-un cip de siliciu format din milioane de tranzistoare. Funcția sa este de a prelucra datele, de a controla funcționarea tuturor dispozitivelor calculatorului, cel puțin o mare parte din ele și cel mai important: este responsabil de efectuarea operațiilor logice și matematice.

Dacă ne dăm seama, toate datele care circulă prin mașina noastră sunt impulsuri electrice, formate din semnale ale unuia și zerourilor numiți biți. Fiecare dintre aceste semnale este grupat într-un set de biți care alcătuiesc instrucțiuni și programe. Microprocesorul este însărcinat să înțeleagă toate acestea prin efectuarea operațiunilor de bază: SUMĂ, SUBTRACT ȘI, SAU, MUL, DIV, OPOSIT ȘI INVERS. Apoi avem la microprocesor:

• Decodează și execută instrucțiunile programelor încărcate în memoria principală a computerului. Coordonează și controlează toate componentele care alcătuiesc computerul și perifericele care sunt conectate la acesta, mouse, tastatură, imprimantă, ecran etc.

Procesoarele sunt în prezent de formă pătrate sau dreptunghiulare și sunt amplasate pe un element numit soclu atașat la placa de bază. Acesta va fi responsabil de distribuirea datelor între procesor și restul elementelor conectate la acesta.

Arhitectura unui computer

În secțiunile următoare vom vedea întreaga arhitectură a unui procesor.

Arhitectura Von Neumann

De la inventarea microprocesoarelor până astăzi, acestea se bazează pe o arhitectură care împarte procesorul în mai multe elemente pe care le vom vedea mai târziu. Aceasta se numește arhitectură Von Neumann. Este o arhitectură inventată în 1945 de matematicianul Von Neumann care descrie designul unui computer digital împărțit într-o serie de piese sau elemente.

Procesoarele actuale sunt încă în mare parte bazate pe această arhitectură de bază, deși logic au fost introduse un număr mare de elemente noi până când vom avea elementele extrem de complete pe care le avem astăzi. Posibilitatea mai multor numere pe același cip, elemente de memorie la diferite niveluri, procesor grafic integrat etc.

Părți interne ale unui computer

Piesele de bază ale unui computer conform acestei arhitecturi sunt următoarele:

• Memorie: este elementul în care sunt stocate instrucțiunile pe care computerul le execută și datele pe care operează instrucțiunile. Aceste instrucțiuni se numesc program. Unitate centrală de procesare sau procesor: este elementul pe care l-am definit anterior. Este responsabil de procesarea instrucțiunilor care vin la ea din memorie.Unitate de intrare și ieșire: permite comunicarea cu elemente externe. Busuri de date: sunt piesele, piesele sau cablurile care conectează fizic elementele anterioare.

Elemente ale unui microprocesor

După ce a definit principalele părți ale unui computer și a înțeles cum circulă informația prin el.

• Unitate de control (UC): este elementul care se ocupă să dea ordine prin semnale de control, de exemplu, ceasul. Acesta caută instrucțiuni în memoria principală și le transmite decodificatorului de instrucțiuni pentru a le executa. Piese interne:
  1. Ceas: generează o undă pătrată pentru a sincroniza operațiunile procesorului Contor de programe: Conține adresa de memorie a următoarei instrucțiuni care urmează să fie executată Înregistrare de instrucțiuni: conține instrucțiunea care se execută în prezent Sequencer: Generează comenzi elementare pentru procesare de instruire. Decodificator de instrucțiuni (DI): este responsabil de interpretarea și executarea instrucțiunilor care sosesc, extragând codul de operare al instrucțiunii.

• Unitate aritmetică logică (ALU): este responsabilă de efectuarea calculelor aritmetice (SUMĂ, SUBTRACȚIE, MULTIPLICAȚIE, DIVIZIE) și operații logice (ȘI, SAU,…). Piese interne.
  1. Circuitul operațional: conțin multiplexori și circuite pentru a efectua operații. Registre de intrare: datele sunt stocate și operate înainte de a intra în circuitul operațional Acumulator: stochează rezultatele operațiunilor efectuate Registrul de stare (Steag): stochează anumite condiții care trebuie luate în considerare în operațiunile ulterioare.

• Unitatea cu punct flotant (FPU): Acest element nu se regăsește în designul original al arhitecturii, ulterior a fost introdus când instrucțiunile și calculele au devenit mai complexe odată cu apariția programelor reprezentate grafic. Această unitate este responsabilă de efectuarea operațiunilor în virgulă plutitoare, adică numere reale. Record Bank and Cache: procesoarele de astăzi au o memorie volatilă care trece de la RAM la procesor. Acest lucru este mult mai rapid decât memoria RAM și este responsabil pentru accelerarea accesului microprocesorului la memoria principală.

• Front Side Bus (FSB): cunoscut și sub numele de bus de date, bus principal sau bus de sistem. Este calea sau canalul care comunică microprocesorul cu placa de bază, în special cu cipul numit podul nord sau nothbridge. Aceasta este responsabilă pentru controlul funcționării principalelor bus de procesor, RAM și a porturilor de expansiune, cum ar fi PCI-Express.

Sursa: sleeperfurniture.co

Sursa: ixbtlabs.com

• Bus Side Side (BSB): acest bus comunică memoria cache de nivel 2 (L2) cu procesorul, atât timp cât nu este integrat în nucleul procesorului propriu-zis. În prezent, toate microprocesoarele au memorie cache încorporată în cip în sine, deci acest autobuz face parte și din același cip.

Două sau mai multe microprocesoare de bază

În același procesor, nu numai că vom avea aceste elemente distribuite în interior, dar acum sunt reproduse. Vom avea mai multe nuclee de procesare sau ceea ce este același mai multe microprocesoare în cadrul unității. Fiecare dintre acestea va avea propriul cache L1 și L2, în mod normal L3 este împărțit între ele, în perechi sau împreună.

În plus, vom avea un ALU, UC, DI și FPU pentru fiecare nucleu, astfel încât viteza și capacitatea de procesare se înmulțesc în funcție de numărul de nuclee pe care le are. În interiorul microprocesoarelor apar și elemente noi:

• Controler de memorie integrat (IMC): Acum, odată cu apariția mai multor nuclee, procesorul are un sistem care vă permite să accesați direct memoria principală. GPU integrat (iGP) - GPU gestionează procesarea grafică. Acestea sunt în mare parte operații cu punct flotant cu șiruri de biți cu densitate ridicată, astfel încât procesarea este mult mai complexă decât datele normale ale programului. Datorită acestui fapt, există intervale de microprocesoare care implementează în interiorul lor o unitate dedicată exclusiv procesării grafice.

Unele procesoare, cum ar fi AMD Ryzen, nu au o placă grafică internă. Doar APU-urile dvs.?

Funcționarea microprocesorului

Un procesor funcționează după instrucțiuni, fiecare din aceste instrucțiuni este un cod binar al unei anumite extensii pe care CPU este capabil să o înțeleagă.

Prin urmare, un program este un set de instrucțiuni și pentru a-l executa trebuie să fie efectuat secvențial, adică executând una dintre aceste instrucțiuni la fiecare pas sau perioadă de timp. Pentru a executa o instrucțiune există mai multe faze:

• Căutare de instrucțiuni: aducem instrucțiunea din memorie în procesor Decodarea instrucțiunii: instrucțiunea este împărțită în coduri mai simple, de care poate fi înțeles CPU-ul Căutare operată: cu instrucțiunea încărcată în procesor trebuie să găsiți operatorul corespunzător instrucțiune: efectuați operația logică sau aritmetică necesară Salvarea rezultatului: rezultatul este în cache

Fiecare procesor funcționează cu un anumit set de instrucțiuni, acestea au evoluat odată cu procesoarele. Numele x86 sau x386 se referă la setul de instrucțiuni cu care lucrează un procesor.

În mod tradițional, procesoarele pe 32 de biți au fost numite și x86, asta deoarece în această arhitectură au lucrat cu acest set de instrucțiuni de la procesorul Intel 80386 care a fost primul care a implementat o arhitectură pe 32 de biți.

Acest set de instrucțiuni trebuie actualizat pentru a funcționa mai eficient și cu programe mai complexe. Uneori vedem că în cerințele pentru un program de rulat vin un set de acronime precum SSE, MMX etc. Acestea sunt setul de instrucțiuni cu care poate face față un microprocesor. Deci avem:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): au împuternicit procesoarele să funcționeze cu operații în virgulă flotantă. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5, etc: diferite actualizări ale acestui set de instrucțiuni.

Incompatibilitate procesor

Cu toții ne amintim când un sistem de operare Apple ar putea rula pe un computer Windows sau Linux. Acest lucru se datorează tipului de instrucțiuni de la diferitele procesoare. Apple a folosit procesoare PowerPC, care au funcționat cu alte instrucțiuni decât Intel și AMD. Astfel, există mai multe modele de instrucțiuni:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): este cel folosit de Intel și AMD, este vorba despre utilizarea unui set de câteva instrucțiuni, dar complexe. Au un consum mai mare de resurse, fiind instrucțiuni mai complete care necesită mai multe cicluri de ceas. RISC (computer redus pentru set de instrucțiuni): este cel folosit de Apple, Motorola, IBM și PowerPC, acestea sunt procesoare mai eficiente, cu mai multe instrucțiuni, dar mai puțin complexe.

În prezent, ambele sisteme de operare sunt compatibile, deoarece Intel și AMD implementează o combinație de arhitecturi în procesoarele lor.

Procesul de executare a instrucțiunilor

1. Procesorul repornește la primirea unui semnal RESET, în acest fel sistemul se pregătește primind un semnal de ceas care va determina viteza procesului.În registrul CP (contorul programului) adresa de memorie la care Unitatea de control (UC) emite comanda pentru a prelua instrucțiunea pe care RAM a stocat-o pe adresa de memorie care se află în CP. Apoi, RAM trimite datele și este plasată pe magistrala de date până la care este stocat în RI (Registrul de instrucțiuni). UC gestionează procesul și instrucțiunea trece la decodificator (D) pentru a găsi semnificația instrucțiunii. Apoi se trece prin UC care trebuie executat. Odată ce instrucțiunea este cunoscută și ce operație trebuie efectuată, ambele sunt încărcate în registrele de intrare ALU (REN). ALU execută operația și plasează rezultatul în magistrala de date și CP-ul este adăugat 1 pentru a executa următoarea instrucțiune.

Cum să știți dacă un procesor este bun

Pentru a ști dacă un microprocesor este bun sau rău, trebuie să analizăm fiecare componentă internă:

Lățimea autobuzului

Lățimea unui autobuz determină mărimea registrelor care pot circula prin ea. Această lățime trebuie să se potrivească cu dimensiunea registrelor procesorului. În acest fel avem că lățimea autobuzului reprezintă cel mai mare registru pe care este capabil să îl transporte într-o singură operație.

Legat direct de autobuz va fi și memoria RAM, trebuie să poată stoca fiecare dintre aceste registre cu lățimea pe care o au (aceasta se numește lățimea cuvântului de memorie).

Ceea ce avem în prezent când lățimea autobuzului este de 32 biți sau 64 biți, adică putem transporta, stoca și prelucra simultan lanțuri de 32 sau 64 biți. Cu 32 de biți fiecare având posibilitatea de a fi 0 sau 1 putem adresa o cantitate de memorie de 2 ³² (4 GB) și cu 64 biți 16 EB Exabytes. Aceasta nu înseamnă că avem 16 Exabytes de memorie pe computerul nostru, ci reprezintă mai degrabă capacitatea de a gestiona și utiliza o anumită cantitate de memorie. De aici celebra limitare a sistemelor pe 32 de biți pentru a adresa doar 4 GB memorie.

Pe scurt, cu cât este mai larg autobuzul, cu atât este mai mare capacitatea de muncă.

Memorie cache

Aceste amintiri sunt mult mai mici decât memoria RAM, dar mult mai rapide. Funcția sa este de a stoca instrucțiunile care urmează să fie procesate sau ultimele procesate. Cu cât memoria cache este mai mare, cu atât este mai mare viteza de tranzacție pe care CPU o poate ridica și scădea.

Aici trebuie să fim conștienți că tot ceea ce ajunge la procesor provine de pe hard disk și se poate spune că este extrem de mai lent decât memoria RAM și chiar mai mult decât memoria cache. Din acest motiv, aceste amintiri în stare solidă au fost concepute pentru a rezolva gâtul mare care este hard disk-ul.

Și ne vom întreba, de ce atunci nu produc doar cache-uri mari, răspunsul este simplu, pentru că sunt foarte scumpe.

Viteza internă a procesorului

Viteza internetului este aproape întotdeauna cel mai izbitor lucru atunci când te uiți la un procesor. „Procesorul rulează la 3, 2 GHz”, dar ce este acesta? Viteza este frecvența de ceas la care funcționează microprocesorul. Cu cât această viteză este mai mare, cu atât mai multe operații pe unitatea de timp vor putea fi efectuate. Aceasta se traduce prin performanțe mai mari, de aceea există o memorie cache, pentru a accelera colectarea datelor de către procesor pentru a face întotdeauna numărul maxim de operații pe unitatea de timp.

Această frecvență de ceas este dată de un semnal periodic de undă pătrată. Timpul maxim pentru a efectua o operație este de o perioadă. Perioada este inversă frecvenței.

Dar nu totul este viteză. Există multe componente care influențează viteza unui procesor. Dacă de exemplu avem un procesor cu 4 nuclee la 1, 8 GHz și un alt single-core la 4, 0 GHz, este sigur că quad-core-ul este mai rapid.

Viteza autobuzului

La fel cum viteza procesorului este importantă, viteza magistralei de date este de asemenea importantă. Placa de bază funcționează întotdeauna cu o frecvență de ceas mult mai mică decât microprocesorul, din acest motiv vom avea nevoie de un multiplicator care să regleze aceste frecvențe.

Dacă, de exemplu, avem o placă de bază cu un autobuz la o frecvență de ceas de 200 MHz, un multiplicator 10x va ajunge la o frecvență a procesorului de 2 GHz.

microarhitecturii

Microarhitectura unui procesor determină numărul de tranzistoare pe unitatea de distanță din acesta. Această unitate este măsurată în prezent în nm (nanometre), cu cât este mai mică, cu atât mai mare număr de tranzistoare poate fi introdus și, prin urmare, poate fi adăpostit un număr mai mare de elemente și circuite integrate.

Acest lucru influențează în mod direct consumul de energie, dispozitivele mai mici vor avea nevoie de mai puțini fluxuri de electroni, astfel încât va fi nevoie de mai puțină energie pentru a îndeplini aceleași funcții ca într-o microarhitectură mai mare.

Sursa: intel.es

Răcirea componentelor

Datorită vitezei enorme atinsă de procesor, fluxul curent generează căldură. Cu cât frecvența și tensiunea sunt mai mari, va exista o generație mai mare de căldură, de aceea este necesară răcirea acestei componente. Există mai multe modalități de a face acest lucru:

• Răcire pasivă: cu ajutorul disipatoarelor metalice (cupru sau aluminiu) care măresc suprafața de contact cu aerul cu ajutorul aripioarelor. Răcire activă: În plus față de radiator, este amplasat și un ventilator pentru a asigura un flux de aer forțat între aripioarele elementului pasiv.

• Răcire lichidă: constă dintr-un circuit alcătuit dintr-o pompă și un calorifer înotător. Apa este circulată printr-un bloc situat în procesor, elementul lichid colectează căldura generată și o transportă la calorifer, care prin ventilație forțată disipează căldura, coborând din nou temperatura lichidului.

Unele procesoare includ un radiator. În mod normal, nu sunt o afacere mare… dar servesc pentru ca computerul să funcționeze și să-l îmbunătățească în același timp

• Răcire prin încălzire: sistemul constă dintr-un circuit închis din tuburi de cupru sau aluminiu umplute cu fluid. Acest fluid colectează căldură din procesor și se evaporă ridicându-se în partea de sus a sistemului. În acest moment există un radiator termic fin, care schimbă căldura fluidului din interior cu aerul exterior, în acest fel fluidul se condensează și coboară înapoi în blocul procesorului.

Vă recomandăm

Acest lucru încheie articolul nostru despre ce este un procesor și cum funcționează în detaliu. Sperăm că v-a plăcut.