▷ Hva er en prosessor og hvordan fungerer den

I dag skal vi se litt maskinvare. Teamet vårt består av et stort antall elektroniske komponenter som sammen er i stand til å lagre og behandle data. Prosessoren, CPUen eller den sentrale behandlingsenheten er hovedkomponenten. Vi skal snakke om hva en prosessor er, hva komponentene er og hvordan den fungerer i detalj.

Ready? La oss starte!

Innholdsindeks

Hva er en prosessor?

Den første tingen vi må definere er hva en mikroprosessor er å vite alt annet. Mikroprosessoren er hjernen til en datamaskin eller datamaskin, den består av en integrert krets innkapslet i en silisiumbrikke som består av millioner av transistorer. Dens funksjon er å behandle dataene, kontrollere driften av alle enhetene på datamaskinen, i det minste en stor del av dem, og viktigst av alt: det er ansvarlig for å utføre de logiske og matematiske operasjonene.

Hvis vi innser det, er alle dataene som sirkulerer gjennom maskinen vår elektriske impulser, som består av signaler om en og nuller som kalles biter. Hver av disse signalene er gruppert i et sett med biter som utgjør instruksjoner og programmer. Mikroprosessoren er ansvarlig for å gi mening om alt dette ved å utføre grunnleggende operasjoner: SUM, SUBTRACT, AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE AND INVERSE. Så må vi til mikroprosessoren:

• Den avkoder og utfører instruksjonene til programmene som er lastet i datamaskinens hovedminne. Koordinerer og kontrollerer alle komponentene som utgjør datamaskinen og periferiutstyr som er koblet til den, mus, tastatur, skriver, skjerm, etc.

Prosessorene er for tiden vanligvis firkantede eller rektangulære i form og er plassert på et element kalt en stikkontakt festet til hovedkortet. Dette vil være ansvarlig for å distribuere dataene mellom prosessoren og resten av elementene som er koblet til den.

Arkitektur av en datamaskin

I de følgende seksjoner vil vi se hele arkitekturen til en prosessor.

Von Neumann arkitektur

Siden oppfinnelsen av mikroprosessorer frem til i dag, er de basert på en arkitektur som deler prosessoren inn i flere elementer som vi vil se senere. Dette kalles Von Neumann-arkitektur. Det er en arkitektur oppfunnet i 1945 av matematikeren Von Neumann som beskriver utformingen av en digital datamaskin delt inn i en serie deler eller elementer.

De nåværende prosessorene er fremdeles i stor grad basert på denne grunnleggende arkitekturen, selv om det logisk nok er introdusert et stort antall nye elementer til vi har de ekstremt komplette elementene som vi har i dag. Mulighet for flere tall på samme brikke, minneelementer på forskjellige nivåer, innebygd grafikkprosessor, etc.

Interne deler av en datamaskin

De grunnleggende delene av en datamaskin i henhold til denne arkitekturen er følgende:

• Minne: er elementet der instruksjonene som datamaskinen kjører og dataene som instruksjonene fungerer på, er lagret. Disse instruksjonene kalles programmet. Central Processing Unit eller CPU: det er elementet som vi tidligere har definert. Det er ansvaret for å behandle instruksjonene som kommer til det fra minnet. Inngangs- og utgangsenhet: den tillater kommunikasjon med eksterne elementer. Datobusser: er sporene, sporene eller kablene som fysisk kobler sammen de forrige elementene.

Elementer av en mikroprosessor

Etter å ha definert hoveddelene på en datamaskin og forstått hvordan informasjon sirkulerer gjennom den.

• Kontrollenhet (UC): det er elementet som har ansvaret for å gi ordre gjennom styresignaler, for eksempel klokken. Den søker etter instruksjoner i hovedminnet og overfører dem til instruksjonsdekoderen for å utføre. Interne deler:
  1. Klokke: Genererer en firkantet bølge for å synkronisere prosessoroperasjoner Programteller: Inneholder minneadressen til neste instruksjon som skal utføres Instruksjonspost: Inneholder instruksjonen som for øyeblikket utføres Sequencer: Genererer elementære kommandoer for behandling av instruksjon. Instruksjonsdekoder (DI): den er ansvarlig for å tolke og utføre instruksjonene som kommer, trekke ut operasjonskoden til instruksjonen.

• Logisk aritmetisk enhet (ALU): den er ansvarlig for å foreta aritmetiske beregninger (SUM, SUBTRAKSJON, MULTIPLIKASJON, DIVISJON) og logiske operasjoner (OG, ELLER,…). Interne deler.
  1. Operasjonskrets: de inneholder multipleksere og kretsløp for å utføre operasjoner. Registreringsregister: dataene lagres og betjenes før de går inn i operasjonskretsen Akkumulator: lagrer resultatene av utførte operasjoner Statusregister (Flagg): lagrer visse forhold som må tas i betraktning i påfølgende operasjoner.

• Floating point unit (FPU): Dette elementet var ikke i den originale arkitekturdesignen, det ble senere introdusert da instruksjonene og beregningene ble mer kompliserte med utseendet til de grafisk representerte programmene. Denne enheten er ansvarlig for å utføre flytende punktoperasjoner, det vil si reelle tall. Record Bank and Cache: Dagens prosessorer har flyktig minne som bygger bro mellom RAM og CPU. Dette er mye raskere enn RAM og er ansvarlig for å få raskere tilgang til mikroprosessoren til hovedminnet.

• Front Side Bus (FSB): Også kjent som en databuss, hovedbuss eller systembuss. Det er banen eller kanalen som kommuniserer mikroprosessoren med hovedkortet, spesielt med brikken kalt nordbroen eller nothbridge. Dette er ansvarlig for å kontrollere driften av hoved CPU-buss, RAM og utvidelsesporter som PCI-Express. Uttrykkene som brukes for å definere denne bussen er "Quick Path Interconnect" for Intel og "Hypertransport" for AMD.

Kilde: sleeperfurniture.co

Kilde: ixbtlabs.com

• Bagsiden på baksiden (BSB): denne bussen kommuniserer cache-minnet på nivå 2 (L2) med prosessoren, så lenge den ikke er integrert i selve CPU-kjernen. For øyeblikket har alle mikroprosessorer cache-minne innebygd i selve brikken, så denne bussen er også en del av den samme brikken.

To eller flere kjernemikroprosessorer

I samme prosessor vil vi ikke bare få disse elementene distribuert inne, men de er nå replikert. Vi vil ha flere prosessorkjerner eller hva som er de samme flere mikroprosessorer i enheten. Hver av disse vil ha sin egen cache L1 og L2, normalt deles L3 mellom dem, parvis eller sammen.

I tillegg til dette vil vi ha en ALU, UC, DI og FPU for hver av kjernene, så hastigheten og prosesseringskapasiteten multipliserer avhengig av antall kjerner den har. Nye elementer dukker også opp i mikroprosessorene:

• Integrert minnekontroller (IMC): Nå med utseendet til flere kjerner har prosessoren et system som lar deg få direkte tilgang til hovedminnet. Integrert GPU (iGP) - GPU håndterer grafikkbehandling. Dette er for det meste flytende punktoperasjoner med høydensitets bitstrenger, så behandlingen er mye mer komplisert enn normale programdata. På grunn av dette er det mikroprosessorområder som implementerer i dem en enhet som utelukkende er dedikert til grafikkbehandling.

Noen prosessorer, for eksempel AMD Ryzen, har ikke et internt grafikkort. Bare APU-ene dine?

Mikroprosessor drift

En prosessor fungerer etter instruksjoner, hver av disse instruksjonene er en binær kode for en bestemt utvidelse som CPU er i stand til å forstå.

Et program er derfor et sett med instruksjoner, og for å utføre det må det utføres sekvensielt, det vil si å utføre en av disse instruksjonene på hvert trinn eller tidsrom. For å utføre en instruksjon er det flere faser:

• Instruksjonssøk: vi bringer instruksjonen fra minnet til prosessoren Dekoding av instruksjoner: instruksjonen er delt inn i enklere koder som er forståelig av CPU Operert søk: med instruksjonen lastet i CPU må du finne den tilsvarende operatøren Utførelse av instruksjon: utfør nødvendig logisk eller aritmetisk operasjon Lagre resultatet: resultatet blir bufret

Hver prosessor jobber med et bestemt sett med instruksjoner, disse har utviklet seg sammen med prosessorene. Navnet x86 eller x386 viser til instruksjonssettet som en prosessor jobber med.

Tradisjonelt har 32-bit prosessorer også blitt kalt x86, dette fordi de i denne arkitekturen har arbeidet med dette settet med instruksjoner fra Intel 80386 prosessor som var den første som implementerte en 32-bit arkitektur.

Dette instruksjonssettet må oppdateres for å fungere mer effektivt og med mer komplekse programmer. Noen ganger ser vi at i kravene for et program å kjøre kommer et sett med forkortelser som SSE, MMX, etc. Dette er settet med instruksjoner som en mikroprosessor kan håndtere. Så vi har:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): De ga CPU-ene muligheten til å jobbe med flytende punktoperasjoner. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5, etc: forskjellige oppdateringer til dette settet med instruksjoner.

Prosessor inkompatibilitet

Vi husker alle når et Apple-operativsystem kunne kjøre på en Windows- eller Linux-PC. Dette skyldes typen instruksjoner fra de forskjellige prosessorene. Apple brukte PowerPC-prosessorer, som fungerte med andre instruksjoner enn Intel og AMD. Dermed er det flere instruksjonsdesign:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): det er den som brukes av Intel og AMD, det handler om å bruke et sett med få instruksjoner, men kompliserte. De har høyere forbruk av ressurser, og er mer komplette instruksjoner som krever flere klokkesykluser. RISC (redusert instruksjonssett datamaskin): det er den som brukes av Apple, Motorola, IBM og PowerPC, dette er mer effektive prosessorer med mer instruksjoner, men mindre kompleksitet.

For øyeblikket er begge operativsystemene kompatible fordi Intel og AMD implementerer en kombinasjon av arkitekturer i prosessorene sine.

Instruksjon utførelsesprosess

1. Prosessoren starter på nytt når han mottar et RESET-signal, på denne måten forbereder systemet seg ved å motta et klokkesignal som vil bestemme hastigheten på prosessen. I CP-registeret (programtelleren) minneadressen som Kontrollenheten (UC) gir kommandoen for å hente instruksjonen som RAM-en har lagret i minneadressen som er i CP-en. Deretter sender RAM-en dataene og blir plassert på databussen til som er lagret i RI (Instruksjonsregister). UC administrerer prosessen og instruksjonen går til dekoderen (D) for å finne betydningen av instruksjonen. Dette går deretter gjennom UC som skal utføres. Når instruksjonen er kjent og hvilken operasjon som skal utføres, blir begge lastet inn i ALU-inngangsregistrene (REN). ALU utfører operasjonen og plasserer resultatet i databuss og CP legges til 1 for å utføre følgende instruksjon.

Hvordan vite om en prosessor er bra

For å vite om en mikroprosessor er god eller dårlig, må vi se på hver av de interne komponentene:

Bussbredde

Bredden på en buss bestemmer størrelsen på registrene som kan sirkulere gjennom den. Denne bredden må samsvare med størrelsen på prosessorregistrene. På denne måten har vi at bredden på bussen representerer det største registeret som den er i stand til å transportere i en enkelt operasjon.

Direkte relatert til bussen vil også være RAM-minne, den må kunne lagre hvert av disse registerene med bredden de har (dette kalles minneordets bredde).

Det vi har for øyeblikket når bussbredden er 32 eller 64 biter, det vil si at vi samtidig kan transportere, lagre og behandle kjeder på 32 eller 64 biter. Med 32 biter som hver har muligheten til å være 0 eller 1, kan vi adressere en mengde minne på 2 ³² (4 GB) og med 64 biter 16 EB Exabyte. Dette betyr ikke at vi har 16 exabyte minne på datamaskinen vår, men snarere representerer evnen til å administrere og bruke en viss mengde minne. Derav den berømte begrensningen av 32-biters systemer til å adressere bare 4 GB minne.

Kort sagt, jo bredere buss, jo mer arbeidskapasitet.

Bufferminne

Disse minnene er mye mindre enn RAM, men mye raskere. Dens funksjon er å lagre instruksjonene som bare skal behandles eller de siste behandles. Jo mer hurtigminne, desto høyere er transaksjonshastigheten som CPU-en kan hente og slippe.

Her må vi være klar over at alt som når prosessoren kommer fra harddisken, og dette kan sies å være enormt tregere enn RAM og enda mer enn hurtigminnet. Det er av denne grunnen at disse solid-state-minnene ble designet for å løse den store flaskehalsen som er harddisken.

Og vi vil spørre oss selv, hvorfor produserer de ikke bare store buffer, svaret er enkelt, fordi de er veldig dyre.

Intern prosessorhastighet

Internetthastighet er nesten alltid det mest slående når du ser på en prosessor. "Prosessoren kjører på 3, 2 GHz, " men hva er dette? Hastighet er klokkefrekvensen som mikroprosessoren fungerer på. Jo høyere hastighet, desto flere operasjoner per tidsenhet vil den kunne utføre. Dette gir høyere ytelse, det er derfor det er et hurtigminne, for å akselerere prosessorens innsamling av data for alltid å utføre det maksimale antall operasjoner per tidsenhet.

Denne klokkefrekvensen er gitt av et periodisk kvadratisk bølgesignal. Maksimum tid for å utføre en operasjon er en periode. Perioden er invers av frekvensen.

Men ikke alt er fart. Det er mange komponenter som påvirker hastigheten til en prosessor. Hvis vi for eksempel har en 4-kjerners prosessor ved 1, 8 GHz og en annen enkjernes ved 4, 0 GHz, er det sikkert at firekjernen er raskere.

Busshastighet

Akkurat som hastigheten på prosessoren er viktig, er også hastigheten på databussen viktig. Hovedkortet fungerer alltid med en mye lavere klokkefrekvens enn mikroprosessoren, av denne grunn vil vi trenge en multiplikator som justerer disse frekvensene.

Hvis vi for eksempel har et hovedkort med en buss med en klokkefrekvens på 200 MHz, vil en 10x multiplikator nå en CPU-frekvens på 2 GHz.

mikroarkitektur

Mikroarkitekturen til en prosessor bestemmer antall transistorer per avstandsenhet i den. Denne enheten måles for tiden i nm (nanometer), jo mindre den er, jo større antall transistorer kan introduseres, og derfor kan større antall elementer og integrerte kretser imøtekommes.

Dette påvirker direkte energiforbruket, mindre enheter vil trenge mindre elektronstrøm, så mindre energi vil være nødvendig for å utføre de samme funksjonene som i en større mikroarkitektur.

Kilde: intel.es

Komponentkjøling

På grunn av den enorme hastigheten som CPU oppnår, genererer strømmen varme. Jo høyere frekvens og spenning det vil være en større generasjon av varme, derfor er det nødvendig å avkjøle denne komponenten. Det er flere måter å gjøre dette på:

• Passiv avkjøling: ved hjelp av metalliske dissipatorer (kobber eller aluminium) som øker overflaten på kontakten med luften ved hjelp av finner. Aktiv avkjøling : I tillegg til kjøleribben er det også plassert en vifte for å gi tvungen luftstrøm mellom finnene til det passive elementet.

• Væskekjøling: den består av en krets som består av en pumpe og en finnet radiator. Vannet sirkuleres gjennom en blokk i CPU, væskeelementet samler varmen som genereres og transporterer den til radiatoren, som ved hjelp av tvungen ventilasjon avleder varmen, og senker igjen væskens temperatur.

Noen prosessorer inkluderer en kjølevæske. Normalt er de ikke så farlige… men de tjener til å få PCen i gang og forbedre den

• Kjøling med Heatpipes: systemet består av en lukket krets av kobber- eller aluminiumsrør fylt med væske. Denne væsken samler varme fra CPU og fordamper stigende til toppen av systemet. På dette tidspunktet er det en finnet kjølerib som veksler varmen fra væsken fra innsiden til uteluften, på denne måten kondenserer væsken og faller ned igjen til CPU-blokken.

Vi anbefaler

Dette avslutter artikkelen vår om hva en prosessor er og hvordan den fungerer i detalj. Vi håper du likte det.