▷ Deler av en prosessor ute og inne: grunnleggende konsepter?

Sikkert vet vi alle omtrent hva en CPU er, men vet vi egentlig hva delene av en prosessor er ? Hver og en av de viktigste, som er nødvendige for at dette lille kvadratet av silisium skal kunne behandle store mengder informasjon, og kunne overføre menneskeheten til en tid der uten å ha elektroniske systemer ville være en fullstendig debakel.

Prosessorer er allerede en del av hverdagen vår, spesielt av mennesker som er født i løpet av de siste 20 årene. Mange har vokst seg helt blandet med teknologi, for ikke å nevne de små som bringer en Smartphone under armene i stedet for en brød… I alle disse enhetene er det et vanlig element kalt en prosessor, som er ansvarlig for å gi "intelligens" til maskinene rundt oss. Hvis dette elementet ikke eksisterte, og heller ikke datamaskiner, mobiler, roboter og samlebånd, kort sagt, alle ville ha arbeid… men det ville være umulig å komme dit vi har laget dem, det er fortsatt ingen verden som "Matrix", men alt vil gå.

Innholdsindeks

Hva er en prosessor og hvorfor er den så viktig

Først av alt, må vi være klar over at ikke bare en datamaskin har en prosessor inni. Alle elektroniske enheter har alle et element som fungerer som en prosessor, enten det er en digital klokke, en programmerbar automat eller en Smartphone.

Men selvfølgelig må vi også være klar over at, avhengig av deres evner og for hva de er produsert, kan prosessorer være mer eller mindre komplekse, fra ganske enkelt å utføre en rekke binære koder til å tenne et LED-panel, til å håndtere enorme mengder med informasjon, inkludert læring fra dem (Machine Learning and Artificial Intelligence).

CPU eller Central Processing Unit på spansk er en elektronisk krets som er i stand til å utføre oppgavene og instruksjonene i et program. Disse instruksjonene er sterkt forenklet, og koker ned til grunnleggende aritmetiske beregninger (tillegg, subtraksjon, multiplikasjon og deling), logiske operasjoner (AND, OR, NOT, NOR, NAND) og input / output (I / O) -kontroll. av enhetene.

Da er prosessoren det elementet som har ansvaret for å utføre alle operasjoner som utgjør instruksjonene til et program. Hvis vi setter oss i maskinens synspunkt, reduseres disse operasjonene til enkle kjeder med nuller og enere, kalt biter, og som representerer strøm / ikke-strømtilstander, og danner dermed binære logiske strukturer som til og med mennesket er i stand til. å forstå og programmere i maskinkode, samler eller gjennom et programmeringsspråk på høyere nivå.

Transistorene, de skyldige i alt

Prosessorer ville ikke eksistert, minst like små, hvis det ikke var for transistorene. De er så å si grunnenheten til enhver prosessor og integrert krets. Det er en halvlederenhet som lukker eller åpner en elektrisk krets eller forsterker et signal. På denne måten er det hvordan vi kan lage ener og nuller, det binære språket som CPU-en forstår.

Disse transistorene startet som vakuumventiler, enorme lyspære-lignende enheter som var i stand til å utføre transistorens egne pendler, men med mekaniske elementer i et vakuum. Datamaskiner som ENIAC eller EDVAC hadde vakuumventiler i seg i stedet for transistorer, og de var enormt store og praktisk talt forbrukte energien i en liten by. Disse maskinene var de første med Von Neumann-arkitektur.

Men på 1950- til 1960-tallet begynte de første transistor-CPU-ene å opprettes - faktisk var det IBM i 1958 da den opprettet sin første halvledertransistorbaserte maskin med IBM 7090. Siden den gang var utviklingen spektakulær, produsenter som Intel og senere AMD begynte å lage de første prosessorene for stasjonære datamaskiner, og implementerte den revolusjonerende x86-arkitekturen, takket være Intel 8086 CPU. Faktisk, selv i dag, er våre stasjonære prosessorer basert på denne arkitekturen, senere vil vi se delene av x86-prosessoren.

Etter dette begynte arkitekturen å bli stadig mer kompleks, med mindre brikker og også med den første introduksjonen av flere kjerner inne, og deretter med kjerner spesielt dedikert til grafikkbehandling. Selv ultrasnelle minnebanker kalt hurtigminne og tilkoblingsbussen med hovedminnet, RAM, ble introdusert i disse små brikkene.

De ytre delene av en prosessor

Etter denne korte gjennomgangen av prosessorenes historie til vi er i vår tid, vil vi se hvilke eksterne elementer en nåværende prosessor har. Vi snakker om fysiske elementer som kan berøres og som er i synet på brukeren. Dette vil hjelpe oss å forstå en prosessors fysiske behov og tilkoblingsbehov bedre.

stikkontakt

CPU-kontakten eller -kontakten er et elektromekanisk system som er fast installert på et hovedkort som er ansvarlig for å koble prosessoren sammen med de andre elementene på brettet og datamaskinen. Det er flere grunnleggende typer stikkontakter på markedet, og også med mange forskjellige konfigurasjoner. Det er tre elementer i ditt navn eller kirkesamfunn som gjør at vi forstår hvilken vi snakker om:

Produsenten kan være Intel eller AMD når det gjelder personlige datamaskiner, dette er noe enkelt å forstå. Når det gjelder tilkoblingstypen har vi tre forskjellige typer:

• LGA: (kontaktnett med rutenett), betyr at kontaktpinnene er installert i selve kontakten, mens CPU-en bare har en flat kontaktsamling. PGA: (rutenett med pinner), det er motsatt av den forrige, det er prosessoren som har pinnene, og kontakten hullene for å sette dem inn. BGA: (ballnettoppstilling), i dette tilfellet er prosessoren direkte loddet til hovedkortet.

Når det gjelder det siste tallet, identifiserer den typen distribusjon eller antall tilkoblingspinner som CPU-en har med kontakten. Det er en enorm mengde av dem både i Intel og AMD.

underlag

Underlaget er i utgangspunktet PCB der silisiumbrikken som inneholder den elektroniske kretsen til kjernene, kalt DIE, er installert. Dagens prosessorer kan ha mer enn ett av disse elementene installert separat.

Men også denne lille PCB-en inneholder hele matrisen av tilkoblingspinner med stikkontakten på hovedkortet, nesten alltid gullbelagt for å forbedre overføringen av strøm, og med beskyttelse mot overbelastning og strømstøt i form av kondensatorer.

DIE

DIE er nettopp firkanten eller brikken som inneholder alle integrerte kretser og interne komponenter i en prosessor. Visuelt blir det sett på som et lite svart element som stikker ut fra underlaget og tar kontakt med varmeavledningselementet.

Fordi hele prosesseringssystemet er inne i det, når DIE utrolige høye temperaturer, så det må beskyttes av andre elementer.

IHS

Også kalt DTS eller Integrated Thermal Diffuser, og dens funksjon er å fange opp hele temperaturen på prosessorkjernene og overføre den til kjøleribben som dette elementet har installert. Den er laget av kobber eller aluminium.

Dette elementet er et ark eller innkapsling som beskytter DIE fra utsiden, og kan være i direkte kontakt med det ved hjelp av termisk pasta eller direkte sveiset. I tilpasset spillutstyr fjerner brukerne denne IHS for å plassere kjølevann direkte i kontakt med DIE ved å bruke termisk pasta i en flytende metallforbindelse. Denne prosessen kalles Delidding og har som formål å forbedre prosessortemperaturene betydelig.

heatsink

Det siste elementet som er ansvarlig for å fange så mye varme som mulig og overføre det til atmosfæren. De er små eller store blokker laget av aluminium og en kobberbase, utstyrt med vifter som hjelper til med å avkjøle hele overflaten ved hjelp av en presset luftstrøm gjennom finnene.

Hver PC-prosessor trenger en kjølevoks for å fungere og holde temperaturen under kontroll.

Vel, dette er delene av en prosessor eksternt, nå skal vi se den mest tekniske delen, dens interne komponenter.

Von Neumann arkitektur

Dagens datamaskiner er basert på arkitekturen til Von Neumann, som var matematikeren som hadde ansvaret for å gi liv til de første datamaskinene i historien i 1945, vet du, ENIAC og dens andre store venner. Denne arkitekturen er i utgangspunktet måten elementene eller komponentene i en datamaskin distribueres slik at driften er mulig. Den består av fire grunnleggende deler:

• Program- og dataminne: det er elementet der instruksjonene som skal utføres i prosessoren er lagret. Den består av lagringsstasjoner eller harddisker, RAM for tilfeldig tilgang og programmer som inneholder instruksjonene i seg selv. Central Processing Unit eller CPU: dette er prosessoren, enheten som kontrollerer og behandler all informasjonen som kommer fra hovedminnet og inndataenhetene. Input and output unit: tillater kommunikasjon med periferiutstyr og komponenter som er koblet til sentralenheten. Fysisk kunne vi identifisere dem som sporene og portene på hovedkortet vårt. Databusser: er sporene, sporene eller kablene som fysisk forbinder elementene. I en CPU er de delt inn i kontrollbussen, databussen og adressebussen.

Multi-core prosessorer

Før vi begynner å liste over de interne komponentene til en prosessor, er det veldig viktig å vite hva kjernene til en prosessor er og deres funksjon i den.

Kjernen i en prosessor er den integrerte kretsen som er ansvarlig for å utføre nødvendige beregninger med informasjonen som går gjennom den. Hver prosessor opererer med en viss frekvens, målt i MHz, som indikerer antall operasjoner den er i stand til å utføre. Nåværende prosessorer har ikke bare en kjerne, men flere av dem, alle med samme interne komponenter og i stand til å utføre og løse instruksjoner samtidig i hver klokkesyklus.

Så hvis en kjerneprosessor kan utføre en instruksjon i hver syklus, hvis den hadde 6, kan den utføre 6 av disse instruksjonene i samme syklus. Dette er en dramatisk ytelsesoppgradering, og det er nettopp det dagens prosessorer gjør. Men vi har ikke bare kjerner, men også prosessering av tråder, som er som en slags logiske kjerner som trådene til et program sirkulerer gjennom.

Besøk artikkelen vår om: hva er trådene til en prosessor? Forskjeller med kjernene for å vite mer om emnet.

Interne deler av en prosessor (x86)

Det er mange forskjellige mikroprosessorarkitekturer og konfigurasjoner, men den som interesserer oss er den som er inni datamaskinene våre, og dette er utvilsomt den som får navnet x86. Vi kunne se det direkte fysisk eller skjematisk for å gjøre det litt tydeligere, vite at alt dette er innenfor DIE.

Vi må huske på at kontrollenheten, aritmetisk-logisk enhet, registre og FPU vil være til stede i hver av prosessorkjernene.

La oss først se på de viktigste interne komponentene:

Kontrollenhet

På engelsk kalt Conrol Unit eller CU er det ansvaret for å lede prosessen til prosessoren. Det gjør dette ved å utgi kommandoer i form av styresignaler til RAM, den aritmetisk-logiske enheten og inngangs- og utgangsenhetene slik at de vet hvordan de skal håndtere informasjonen og instruksjonene som sendes til prosessoren. For eksempel samler de inn data, utfører beregninger og lagrer resultater.

Denne enheten sikrer at resten av komponentene fungerer synkronisert ved hjelp av klokke- og tidssignaler. Så godt som alle prosessorer har denne enheten inne, men la oss si at den ligger utenfor det som er kjernen i selve prosesseringen. På sin side kan vi skille i følgende deler:

• Clock (CLK): det er ansvarlig for å generere et firkantet signal som synkroniserer de interne komponentene. Det er andre klokker som har ansvaret for denne synkronien mellom elementer, for eksempel multiplikatoren, som vi vil se senere. Programteller (CP): inneholder minneadressen til neste instruksjon som skal utføres. Instruksjonsregister (RI): lagrer instruksjonen som blir utført Sequencer and Decoder: tolker og utfører instruksjonene gjennom kommandoer

Aritmetisk-logisk enhet

Du vil sikkert vite dette med forkortelsen “ALU”. ALU er ansvarlig for å utføre alle aritmetiske og logiske beregninger med heltall på bitnivå, denne enheten fungerer direkte med instruksjonene (operander) og med operasjonen som kontrollenheten har instruert den til å gjøre (operatør).

Operandene kan komme enten fra de interne registerene til prosessoren, eller direkte fra RAM-minnet, de kan til og med genereres i selve ALU som et resultat av en annen operasjon. Utgangen fra dette vil være resultatet av operasjonen, og er et annet ord som vil bli lagret i et register. Dette er de grunnleggende delene:

• Inngangsregistre (REN): de oppbevarer operandene som skal evalueres i dem. Operasjonskode: CU sender operatøren slik at operasjonen blir utført Akkumulator eller resultat: resultatet av operasjonen kommer ut av ALU som et binært ord Statusregister (Flagg): det lagrer forskjellige forhold å ta hensyn til under operasjonen.

Flytende punkt enhet

Du vil kjenne det som FPU eller Floating Point Unit. I utgangspunktet er det en oppdatering utført av den nye generasjons prosessorer som spesialiserer seg på beregning av flytende punktoperasjoner ved bruk av en matematisk koprocessor. Det er enheter som til og med kan utføre trigonometriske eller eksponentielle beregninger.

I utgangspunktet er det en tilpasning for å øke ytelsen til prosessorene i grafikkbehandlingen der beregningene som skal utføres er mye tyngre og mer komplekse enn i normale programmer. I noen tilfeller utføres funksjonene til FPU av ALU selv ved å bruke en instruksjonsmikrokode.

poster

Dagens prosessorer har et eget lagringssystem, så å si, og den minste og raskeste enheten er registrene. I utgangspunktet er det et lite lager der instruksjonene som blir behandlet og resultatene som er oppnådd fra dem lagres.

Bufferminne

Det neste lagringsnivået er hurtigminnet, som også er ekstremt raskt minne, mye mer enn RAM-minne som er ansvarlig for å lagre instruksjonene som vil bli brukt av prosessoren. Eller i det minste vil du prøve å lagre instruksjonene du tror vil bli brukt, siden det noen ganger ikke er noe annet valg enn å be om dem direkte fra RAM.

Cachen til nåværende prosessorer er integrert i den samme DIE av prosessoren, og er delt inn i totalt tre nivåer, L1, L2 og L3:

• Nivå 1 Cache (L1): Det er den minste etter tømmerstokker, og den raskeste av de tre. Hver prosesseringskjerne har sin egen L1-cache, som igjen er delt i to, L1-dataene som er ansvarlig for lagring av dataene, og L1-instruksjonen, som lagrer instruksjonene for å utføre. Det er vanligvis 32 KB hver. Nivå 2-hurtigbuffer (L2) - Dette minnet er tregere enn L2, men også større. Vanligvis har hver kjerne sin egen L2, som kan være omtrent 256 KB, men i dette tilfellet er den ikke direkte integrert i kjernekretsen. Nivå 3-hurtigbuffer (L3): Det er den tregeste av de tre, selv om det er mye raskere enn RAM. Den ligger også utenfor kjernene og er fordelt på flere kjerner. Den varierer mellom 8 MB og 16 MB, selv om den i veldig kraftige CPUer når opp til 30 MB.

Inngående og utgående busser

Bussen er kommunikasjonskanalen mellom de forskjellige elementene som utgjør en datamaskin. Det er de fysiske linjene som dataene sirkulerer i form av elektrisitet, instruksjonene og alle elementene som er nødvendige for å behandle. Disse bussene kan plasseres rett inne i prosessoren eller utenfor den, på hovedkortet. Det er tre typer busser på en datamaskin:

• Datobuss: sikkert det enkleste å forstå, fordi det er bussen dataene som sendes og mottas av de forskjellige komponentene sirkulerer gjennom, til eller fra prosessoren. Dette betyr at det er en toveis buss og gjennom den vil sirkulere ord med en lengde på 64 biter, lengden som prosessoren er i stand til å håndtere. Et eksempel på en databuss er LANES eller PCI Express Lines, som kommuniserer CPU med PCI-sporene, for eksempel for et grafikkort. Adressebuss: adressebussen sirkulerer ikke data, men minneadresser for å finne hvor dataene som er lagret i minnet er. RAM er som et stort datalager delt inn i celler, og hver av disse cellene har sin egen adresse. Det vil være prosessoren som ber minnet om dataene ved å sende en minneadresse, denne adressen må være så stor som celler har RAM-minnet. For tiden kan en prosessor adressere minneadresser på opptil 64 biter, det vil si at vi kan håndtere minner på opptil 2 ⁶⁴ celler. Kontrollbuss: kontrollbussen har ansvaret for å styre de to foregående bussene, bruke kontroll- og tidssignaler for å gjøre synkronisert og effektiv bruk av all informasjonen som sirkulerer til eller fra prosessoren. Det ville være som en lufthavns kontrolltårn.

BSB, inngangs- / utgangsenhet og multiplikator

Det er viktig å vite at de nåværende prosessorene ikke har den tradisjonelle FSB eller Front Bus, som tjente til å kommunisere CPU med resten av elementene på hovedkortet, for eksempel brikkesett og periferiutstyr gjennom nordbroen og sørbroen. Dette er fordi selve bussen er blitt satt inn i CPUen som en inngangs- og utgangs (I / O) datahåndteringsenhet som direkte kommuniserer RAM med prosessoren som om det var den gamle nordbroen. Teknologier som AMDs HyperTransport eller Intels HyperThreading er ansvarlige for å håndtere utveksling av informasjon om høyytelsesprosessorer.

BSB eller Back Side Bus er bussen som har ansvaret for å koble mikroprosessoren med sitt eget hurtigminne, normalt det fra L2. På denne måten kan Frontbussen frigjøres fra ganske mye belastning, og dermed bringe hastighetene til hurtigbuktene enda nærmere kjernens hastighet.

Og til slutt har vi multiplikatorene, som er en serie elementer plassert i eller utenfor prosessoren som er ansvarlige for å måle forholdet mellom CPU-klokken og klokken til de eksterne bussene. På dette tidspunktet vet vi at CPU-en er koblet til elementer som RAM, brikkesettet og andre eksterne enheter gjennom busser. Takket være disse multiplikatorene er det mulig at CPU-frekvensen er mye raskere enn de eksterne bussene, for å kunne behandle mer data.

En multiplikator på x10 for eksempel vil tillate et system som fungerer på 200 MHz, å arbeide på CPU ved 2000 MHz. I nåværende prosessorer kan vi finne enheter med multiplikatoren ulåst, dette betyr at vi kan øke frekvensen og dermed behandlingshastigheten. Dette kaller vi overklokking.

IGP eller internt grafikkort

For å avslutte med deler av en prosessor kan vi ikke glemme den integrerte grafiske enheten som noen av dem har. Før vi har sett hva en FPU er, og i dette tilfellet står vi overfor noe lignende, men med mye mer kraft, siden de i utgangspunktet er en serie kjerner som uavhengig kan behandle grafikken til teamet vårt, som for matematiske formål er en enorm mengde flytende punktberegninger og grafikkavbildning som ville være veldig prosessorintensiv.

IGP har samme funksjon som et eksternt grafikkort, det vi installerte over PCI-Express-sporet, bare i mindre skala eller kraft. Det kalles integrert grafikkprosessor fordi det er en integrert krets installert i samme prosessor som avlaster sentralenheten i denne serien med kompliserte prosesser. Det vil være nyttig når vi ikke har grafikkort, men foreløpig har den ikke en ytelse som kan sammenlignes med disse.

Både AMD og Intel har enheter som integrerer IGP i CPU, og blir dermed kalt APU (Accelerated Processing Unit). Et eksempel på dette er nesten hele Intel Core i i-familien, sammen med AMD Athlon og noen Ryzen.

Konklusjon på delene av en prosessor

Vel, vi kommer til slutten av denne lange artikkelen der vi ser på en mer eller mindre grunnleggende måte hva delene av en prosessor er, både fra et eksternt og internt synspunkt. Sannheten er at det er et veldig interessant emne, men forbanna kompleks og lenge å forklare, hvis detaljer er utenfor forståelsen av nesten alle oss som ikke er fordypet i samlebåndene og produsentene av denne typen enheter.

Nå overlater vi deg til noen få opplæringsprogrammer som kan være interessante for deg.

Hvis du har spørsmål eller ønsker å avklare et hvilket som helst spørsmål i artikkelen, inviterer vi deg til å skrive det i kommentarfeltet. Det er alltid godt å ha andres mening og visdom.