▷ Dele af en processor udenfor og indvendigt: grundlæggende koncepter?

Vi ved bestemt alle nogenlunde, hvad en CPU er, men ved vi virkelig , hvad dele af en processor er ? Hver og en af ​​de vigtigste, der er nødvendige for at dette lille kvadrat af silicium skal kunne behandle store mængder information og kunne overføre menneskeheden til en æra, hvor, uden at have elektroniske systemer, ville være en komplet ødelæggelse.

Processorer er allerede en del af vores daglige liv, især for mennesker, der er født i de sidste 20 år. Mange er vokset helt blandet med teknologi, for ikke at nævne de små, der bringer en Smartphone under deres arme i stedet for et brød… I alle disse enheder er der et fælles element kaldet en processor, der er ansvarlig for at give "intelligens" til maskinerne omkring os. Hvis dette element ikke eksisterede, og heller ikke computere, mobiler, robotter og samlebånd, kort sagt, alle ville have arbejde… men det ville være umuligt at komme til det sted, hvor vi har lavet dem, der er stadig ingen verden som "Matrix", men alt går.

Indholdsindeks

Hvad er en processor, og hvorfor er det så vigtigt

Først og fremmest skal vi være opmærksomme på, at ikke kun en computer har en processor inde. Alle elektroniske enheder har alle et element der fungerer som en processor, hvad enten det drejer sig om et digitalt ur, en programmerbar automat eller en Smartphone.

Men selvfølgelig må vi også være opmærksomme på, at afhængigt af deres kapacitet og hvad de fremstilles, kan processorer være mere eller mindre komplekse, fra blot at udføre en række binære koder til at tænde et LED-panel til håndtering af enorme mængder information, herunder at lære af dem (Machine Learning and Artificial Intelligence).

CPU eller Central Processing Unit på spansk er et elektronisk kredsløb, der er i stand til at udføre de opgaver og instruktioner, der er indeholdt i et program. Disse instruktioner er meget forenklet og koges ned til grundlæggende aritmetiske beregninger (tilføjelse, subtraktion, multiplikation og opdeling), logiske operationer (AND, OR, NOT, NOR, NAND) og input / output (I / O) kontrol. af enhederne.

Derefter er processoren det element, der er ansvarlig for at udføre alle de operationer, der udgør instruktionerne i et program. Hvis vi sætter os selv i maskinens synspunkt, reduceres disse operationer til enkle kæder af nuller og enheder, kaldet bits, og som repræsenterer de aktuelle / ikke-aktuelle tilstande og danner således binære logiske strukturer, som selv mennesket er i stand til. at forstå og programmere i maskinkode, samler eller gennem et programmeringssprog på højere niveau.

Transistorerne, de skyldige i alt

Processorer ville ikke eksistere, mindst lige så små, hvis det ikke var for transistorer. De er så at sige baseenheden for enhver processor og integreret kredsløb. Det er en halvlederenhed, der lukker eller åbner et elektrisk kredsløb eller forstærker et signal. På denne måde er det, hvordan vi kan oprette sådanne og nuller, det binære sprog, som CPU'en forstår.

Disse transistorer startede som vakuumventiler, enorme lyspære-lignende enheder, der er i stand til at udføre transistorens egne pendler, men med mekaniske elementer i et vakuum. Computere som ENIAC eller EDVAC havde vakuumventiler inde i dem i stedet for transistorer, og de var utroligt store og praktisk taget forbrugte energien i en lille by. Disse maskiner var de første med Von Neumann-arkitektur.

Men i 1950'erne til 1960'erne begyndte de første transistor-CPU'er at blive oprettet - faktisk var det IBM i 1958, da det skabte sin første halvledertransistorbaserede maskine med IBM 7090. Siden da var udviklingen spektakulær, fabrikanter som Intel og senere AMD begyndte at skabe de første processorer til stationære computere ved at implementere den revolutionerende x86-arkitektur takket være Intel 8086 CPU. Faktisk, selv i dag, er vores desktopprocessorer baseret på denne arkitektur, senere vil vi se delene af x86-processoren.

Efter dette begyndte arkitekturen at blive stadig mere kompleks, med mindre chips og også med den første introduktion af flere kerner inde i, og derefter med kerner specielt dedikeret til grafikbehandling. Selv ultrahurtige hukommelsesbanker kaldet cachehukommelse og forbindelsesbussen med hovedhukommelsen, RAM, blev introduceret inde i disse små chips.

De ydre dele af en processor

Efter denne korte gennemgang af processorenes historie, indtil vi er i vores dag, vil vi se, hvilke eksterne elementer en nuværende processor har. Vi taler om fysiske elementer, der kan røres, og som er i betragtning af brugeren. Dette vil hjælpe os med bedre at forstå de fysiske behov og forbindelsesbehovene hos en processor.

socket

CPU-stikket eller -stikket er et elektromekanisk system, der er fast installeret på et bundkort, der er ansvarligt for at forbinde processoren med de andre elementer på tavlen og computeren. Der er flere grundlæggende typer stik på markedet og også med mange forskellige konfigurationer. Der er tre elementer i dit navn eller pålydende værdi, der får os til at forstå, hvilken vi taler om:

Producenten kan være Intel eller AMD i tilfælde af personlige computere, dette er noget, der er let at forstå. Med hensyn til typen af ​​forbindelse har vi tre forskellige typer:

• LGA: (netkontaktarray), betyder, at kontaktstifterne er installeret i selve stikket, mens CPU'en kun har et fladt kontaktarray. PGA: (ristet udvalg af stifter), det er netop det modsatte af det foregående, det er processoren, der har stifterne, og stikket huller til at indsætte dem. BGA: (kuglegitter-array), i dette tilfælde er processoren direkte loddet til bundkortet.

Hvad angår det sidste nummer, identificerer det den type distribution eller antallet af forbindelsesstifter, som CPU'en har med stikket. Der er en enorm mængde af dem både i Intel og AMD.

undergrunden

Underlaget er dybest set PCB, hvor siliciumchippen, der indeholder det elektroniske kredsløb af kernerne, kaldet DIE, er installeret. Dagens processorer kan have mere end et af disse elementer installeret separat.

Men også denne lille PCB indeholder hele matrixen af ​​forbindelsesstifter med stik på bundkortet, næsten altid forgyldt for at forbedre overførslen af ​​elektricitet og med beskyttelse mod overbelastning og strømstød i form af kondensatorer.

DIE

DIE er netop det firkant eller chip, der indeholder alle det integrerede kredsløb og interne komponenter i en processor. Visuelt ses det som et lille sort element, der stikker ud fra underlaget og kommer i kontakt med varmeafledningselementet.

Da hele behandlingssystemet er inde i det, når DIE utroligt høje temperaturer, så det skal beskyttes af andre elementer.

IHS

Også kaldet DTS eller Integrated Thermal Diffuser, og dens funktion er at fange alle temperaturen på processorens kerner og overføre den til den køleplade, som dette element har installeret. Det er lavet af kobber eller aluminium.

Dette element er et ark eller indkapsling, der beskytter DIE fra ydersiden og kan være i direkte kontakt med det ved hjælp af termisk pasta eller direkte svejset. I brugerdefineret spiludstyr fjerner brugerne denne IHS for at placere heatsinks direkte i kontakt med DIE ved hjælp af termisk pasta i en flydende metalforbindelse. Denne proces kaldes Delidding, og dens formål er at forbedre processortemperaturerne væsentligt.

varmeafleder

Det sidste element, der er ansvarlig for at fange så meget varme som muligt og overføre det til atmosfæren. De er små eller store blokke lavet af aluminium og en kobberbase forsynet med ventilatorer, der hjælper med at afkøle hele overfladen ved hjælp af en tvungen luftstrøm gennem finnerne.

Hver pc-processor har brug for en kølelegeme for at fungere og holde dens temperaturer under kontrol.

Nå, det er disse dele af en processor eksternt, nu vil vi se den mest tekniske del, dens interne komponenter.

Von Neumann arkitektur

Dagens computere er baseret på arkitekturen for Von Neumann, som var matematikeren med ansvar for at give liv til de første computere i historien i 1945, ved I, ENIAC og dets andre store venner. Denne arkitektur er dybest set den måde, hvorpå computerens elementer eller komponenter distribueres, så dens funktion er mulig. Det består af fire grundlæggende dele:

• Program- og datahukommelse: det er det element, hvor instruktionerne, der skal udføres i processoren, gemmes. Den består af lagerdrev eller harddiske, tilfældig RAM og programmer, der indeholder instruktionerne i sig selv. Central Processing Unit eller CPU: dette er processoren, den enhed, der kontrollerer og behandler alle de oplysninger, der kommer fra hovedhukommelsen og inputenhederne. Input og output-enhed: tillader kommunikation med perifere enheder og komponenter, der er forbundet til centralenheden. Fysisk kunne vi identificere dem som slots og porte på vores bundkort. Databusser: er sporene, sporene eller kablerne, der fysisk forbinder elementerne I en CPU er de opdelt i kontrolbussen, databussen og adressebussen.

Multi-core processorer

Før vi begynder at liste over de interne komponenter i en processor, er det meget vigtigt at vide, hvad en processor's kerner er, og deres funktion i den.

Kernen i en processor er det integrerede kredsløb, der er ansvarlig for at udføre de nødvendige beregninger med den information, der passerer gennem den. Hver processor fungerer med en bestemt frekvens, målt i MHz, hvilket angiver antallet af operationer, den er i stand til at udføre. Nuværende processorer har ikke kun en kerne, men flere af dem, alle med de samme interne komponenter og i stand til at udføre og løse instruktioner samtidig i hver urcyklus.

Så hvis en kerneprocessor kan udføre en instruktion i hver cyklus, hvis den havde 6, kunne den udføre 6 af disse instruktioner i samme cyklus. Dette er en dramatisk ydelsesopgradering, og det er netop, hvad nutidens processorer gør. Men vi har ikke kun kerner, men også bearbejdningstråde, som er som en slags logiske kerner, gennem hvilke trådene i et program cirkulerer.

Besøg vores artikel om: hvad er trådene til en processor? Forskelle med kernerne for at vide mere om emnet.

Interne dele af en processor (x86)

Der er mange forskellige mikroprocessorarkitekturer og -konfigurationer, men den der interesserer os er den der er inde i vores computere, og det er uden tvivl den, der får navnet x86. Vi kunne se det direkte fysisk eller skematisk for at gøre det lidt klarere, vide, at alt dette er inden for DIE.

Vi skal huske, at kontrolenheden, aritmetisk-logisk enhed, registre og FPU vil være til stede i hver af processorens kerner.

Lad os først se på de vigtigste interne komponenter:

Kontrolenhed

På engelsk kaldet Conrol Unit eller CU er det ansvaret for at styre processoren for processoren. Det gør dette ved at udstede kommandoer i form af styresignaler til RAM, den aritmetisk-logiske enhed og input- og output-enhederne, så de ved, hvordan de administrerer information og instruktioner, der sendes til processoren. For eksempel indsamler de data, udfører beregninger og gemmer resultater.

Denne enhed sikrer, at resten af ​​komponenterne fungerer synkroniseret ved hjælp af ur- og tidssignaler. Stort set alle processorer har denne enhed indeni, men lad os sige, at den ligger uden for hvad der er kernen i selve processeringen. Til gengæld kan vi skelne inden for følgende dele:

• Clock (CLK): det er ansvarligt for at generere et kvadratisk signal, der synkroniserer de interne komponenter. Der er andre ure, der er ansvarlige for denne synkroni mellem elementer, for eksempel multiplikatoren, som vi vil se senere. Programtæller (CP): indeholder hukommelsesadressen til den næste instruktion, der skal udføres. Instruktionsregister (RI): gemmer den instruktion, der udføres Sequencer og dekoder: fortolker og udfører instruktionerne gennem kommandoer

Aritmetisk-logisk enhed

Du vil helt sikkert vide dette ved dets forkortelse "ALU". ALU har ansvaret for at udføre alle aritmetiske og logiske beregninger med heltal på bitniveauet, denne enhed fungerer direkte med instruktionerne (operander) og med den betjening, som kontrolenheden har instrueret den til at udføre (operator).

Operanderne kan komme enten fra processorens interne registre eller direkte fra RAM-hukommelsen, de kan endda genereres i selve ALU som et resultat af en anden operation. Outputet fra dette vil være resultatet af handlingen, hvilket er et andet ord, der gemmes i et register. Dette er dets grundlæggende dele:

• Indgangsregistre (REN): de holder i dem operanderne, der skal evalueres. Betjeningskode: CU sender operatøren, så handlingen udføres Akkumulator eller resultat: resultatet af operationen kommer ud af ALU som et binært ord Statusregister (Flag): det gemmer forskellige betingelser, der skal tages i betragtning under operationen.

Flydende enhed

Du kender det som FPU eller Floating Point Unit. Grundlæggende er det en opdatering, der udføres af den nye generation af processorer, der er specialiseret i beregningen af ​​flydepunktoperationer ved hjælp af en matematisk coprocessor. Der er enheder, der endda kan udføre trigonometriske eller eksponentielle beregninger.

Grundlæggende er det en tilpasning for at øge processorenes ydeevne i grafikbehandlingen, hvor beregningerne, der skal udføres, er meget tungere og mere komplekse end i normale programmer. I nogle tilfælde udføres FPU-funktionerne af ALU selv ved hjælp af en instruktionsmikrokode.

optegnelser

Dagens processorer har deres eget lagringssystem, så at sige, og den mindste og hurtigste enhed er registre. Grundlæggende er det et lille lager, hvor de instruktioner, der behandles, og de opnåede resultater lagres.

Cachehukommelse

Det næste niveau af opbevaring er cachehukommelse, som også er ekstremt hurtig hukommelse, meget mere end RAM-hukommelse, der er ansvarlig for at gemme de instruktioner, der vil blive brugt af processoren. Eller i det mindste vil du forsøge at gemme de instruktioner, som du tror vil blive brugt, da der undertiden ikke er andet valg end at anmode om dem direkte fra RAM.

Cache for aktuelle processorer er integreret i den samme DIE på processoren og er opdelt i i alt tre niveauer, L1, L2 og L3:

• Niveau 1 Cache (L1): Det er den mindste efter logfiler og den hurtigste af de tre. Hver behandlingskerne har sin egen L1-cache, der igen er delt i to, L1-data, der er ansvarlig for lagring af dataene, og L1-instruktion, der gemmer instruktionerne til at udføre. Det er normalt 32 KB hver. Niveau 2-cache (L2) - Denne hukommelse er langsommere end L2, men også større. Typisk har hver kerne sin egen L2, der kan være omkring 256 KB, men i dette tilfælde er den ikke direkte integreret i kernekredsløbet. Niveau 3-cache (L3): Det er den langsomste af de tre, skønt meget hurtigere end RAM. Det er også placeret uden for kernerne og er fordelt på flere kerner. Det varierer mellem 8 MB og 16 MB, selvom det i meget kraftfulde CPU'er når op til 30 MB.

Indgående og udgående busser

Bussen er kommunikationskanalen mellem de forskellige elementer, der udgør en computer. Det er de fysiske linjer, gennem hvilke data cirkulerer i form af elektricitet, instruktionerne og alle de elementer, der er nødvendige for at behandle. Disse busser kan placeres direkte inde i processoren eller uden for den på bundkortet. Der er tre typer busser på en computer:

• Datobus: helt sikkert den nemmeste at forstå, fordi det er bussen, gennem hvilken de data, der sendes og modtages af de forskellige komponenter, cirkulerer, til eller fra processoren. Dette betyder, at det er en tovejsbus og gennem den vil cirkulere ord med en længde på 64 bit, den længde, som processoren er i stand til at håndtere. Et eksempel på en databus er LANES eller PCI Express Lines, der kommunikerer CPU'en med PCI-slots, for eksempel til et grafikkort. Adressebus: adressebussen cirkulerer ikke data, men hukommelsesadresser for at finde, hvor de data, der er gemt i hukommelsen, er. RAM er som et stort datalager opdelt i celler, og hver af disse celler har sin egen adresse. Det vil være processoren, der beder hukommelsen om dataene ved at sende en hukommelsesadresse, denne adresse skal være så stor, som celler har RAM-hukommelsen. I øjeblikket kan en processor adressere hukommelsesadresser på op til 64 bit, det vil sige, vi kunne håndtere hukommelser på op til 2 ⁶⁴ celler. Kontrolbuss: kontrolbussen er ansvarlig for at styre de to foregående busser ved hjælp af styrings- og tidssignaler for at gøre synkroniseret og effektiv anvendelse af al den information, der cirkulerer til eller fra processoren. Det ville være som en lufthavns kontroltårn.

BSB, input / output enhed og multiplikator

Det er vigtigt at vide, at de nuværende processorer ikke har den traditionelle FSB eller Front Bus, der tjente til at kommunikere CPU'en med resten af ​​elementerne på bundkortet, for eksempel chipset og perifere enheder gennem nordbroen og sydbroen. Dette skyldes, at selve bussen er blevet indsat i CPU'en som en input og output (I / O) datahåndteringsenhed, der direkte kommunikerer RAM med processoren, som om det var den gamle nordbro. Teknologier som AMD's HyperTransport eller Intels HyperThreading er ansvarlige for at styre udvekslingen af ​​information om højtydende processorer.

BSB- eller bagsidebussen er den bus, der er ansvarlig for at forbinde mikroprocessoren med sin egen cachehukommelse, normalt L2. På denne måde kan Frontbussen frigøres fra en ganske stor belastning og dermed bringe cachernes hastighed endnu tættere på kernehastigheden.

Og endelig har vi multiplikatorerne, som er en række elementer placeret inden i eller uden for processoren, der er ansvarlige for at måle forholdet mellem CPU-uret og uret til de eksterne busser. På dette tidspunkt ved vi, at CPU'en er forbundet til elementer som RAM, chipset og andre perifere enheder gennem busser. Takket være disse multiplikatorer er det muligt, at CPU-frekvensen er meget hurtigere end de eksterne busser for at kunne behandle flere data.

En multiplikator på x10 for eksempel tillader et system, der fungerer ved 200 MHz, at arbejde på CPU'en ved 2000 MHz. I nuværende processorer kan vi finde enheder med multiplikatoren ulåst, det betyder, at vi kan øge dens frekvens og dermed dens behandlingshastighed. Vi kalder dette overklokering.

IGP eller internt grafikkort

For at afslutte med dele af en processor kan vi ikke glemme den integrerede grafiske enhed, som nogle af dem har. Før vi har set, hvad en FPU er, og i dette tilfælde står vi over for noget lignende, men med meget mere magt, da det dybest set er en række kerner, der er i stand til uafhængigt at behandle grafikken fra vores team, som til matematiske formål er en massiv mængde beregning af flydende punkter og grafisk gengivelse, der ville være meget processorintensiv.

IGP fungerer den samme funktion som et eksternt grafikkort, det, vi installerede over PCI-Express-slot, kun i mindre skala eller strøm. Det kaldes den integrerede grafikprocessor, fordi det er et integreret kredsløb installeret i den samme processor, der aflaster den centrale enhed i denne serie komplicerede processer. Det vil være nyttigt, når vi ikke har et grafikkort, men indtil videre har det ikke en ydelse, der kan sammenlignes med disse.

Både AMD og Intel har enheder, der integrerer IGP i CPU'en og kaldes således APU (Accelerated Processing Unit). Et eksempel på dette er næsten hele Intel Core i i-familien sammen med AMD Athlon og nogle Ryzen.

Konklusion om dele af en processor

Nå, vi kommer til slutningen af ​​denne lange artikel, hvor vi på en mere eller mindre grundlæggende måde ser, hvilke dele af en processor er, både udefra og internt. Sandheden er, at det er et meget interessant emne, men forbandet kompleks og længe at forklare, hvis detaljer er uden for forståelsen af ​​næsten alle os, der ikke er nedsænket i samlebåndene og producenterne af denne type enhed.

Nu giver vi dig nogle få tutorials, der kan være interessant for dig.

Hvis du har spørgsmål eller ønsker at afklare ethvert spørgsmål i artiklen, inviterer vi dig til at skrive det i kommentarfeltet. Det er altid godt at have andres mening og visdom.