▷ Hvad er en processor, og hvordan fungerer den

I dag skal vi se noget hardware. Vores team består af et stort antal elektroniske komponenter, der tilsammen er i stand til at lagre og behandle data. Processoren, CPU'en eller den centrale behandlingsenhed er dens hovedkomponent. Vi vil tale om, hvad en processor er, hvad dens komponenter er, og hvordan den fungerer detaljeret.

Klar? Lad os starte!

Indholdsindeks

Hvad er en processor?

Den første ting, vi bliver nødt til at definere, er, hvad en mikroprocessor er at kende alt andet. Mikroprocessoren er hjernen på en computer eller computer, den består af et integreret kredsløb indkapslet i en siliciumchip, der består af millioner af transistorer. Dets funktion er at behandle dataene, styre driften af ​​alle enheder på computeren, i det mindste en stor del af dem og vigtigst af alt: det er ansvarlig for at udføre de logiske og matematiske operationer.

Hvis vi er klar over det, er alle de data, der cirkulerer gennem vores maskine, elektriske impulser, der består af signaler om disse og nuller kaldet bits. Hvert af disse signaler er grupperet i et sæt bits, der udgør instruktioner og programmer. Mikroprocessoren er ansvarlig for at gøre opmærksom på alt dette ved at udføre basale operationer: SUM, SUBTRACT OG, OR, MUL, DIV, OPPOSITE AND INVERSE. Så skal vi til mikroprocessoren:

• Den afkoder og udfører instruktionerne for de programmer, der er indlæst i computerens hovedhukommelse. Koordinerer og kontrollerer alle komponenter, der udgør computeren og de perifere enheder, der er forbundet til den, mus, tastatur, printer, skærm osv.

Processorerne er i øjeblikket normalt firkantede eller rektangulære i form og er placeret på et element kaldet en sokkel, der er knyttet til bundkortet. Dette vil være ansvarlig for at distribuere dataene mellem processoren og resten af ​​de tilsluttede elementer.

Arkitektur af en computer

I de følgende sektioner vil vi se hele arkitekturen af ​​en processor.

Von Neumann arkitektur

Siden opfindelsen af ​​mikroprocessorer indtil i dag er de baseret på en arkitektur, der opdeler processoren i flere elementer, som vi vil se senere. Dette kaldes Von Neumann-arkitektur. Det er en arkitektur opfundet i 1945 af matematikeren Von Neumann, der beskriver designet af en digital computer opdelt i en række dele eller elementer.

De nuværende processorer er stadig stort set baseret på denne grundlæggende arkitektur, skønt logisk set er der introduceret et stort antal nye elementer, indtil vi har de ekstremt komplette elementer, som vi har i dag. Mulighed for flere numre på den samme chip, hukommelseselementer på forskellige niveauer, indbygget grafikprocessor osv.

Interne dele af en computer

De grundlæggende dele af en computer i henhold til denne arkitektur er følgende:

• Hukommelse: er det element, hvor de instruktioner, computeren udfører, og de data, som instruktionerne fungerer på, gemmes. Disse instruktioner kaldes programmet. Central Processing Unit eller CPU: det er det element, som vi tidligere har defineret. Det har ansvaret for at behandle instruktionerne, der kommer til det fra hukommelsen Input og output enhed: det tillader kommunikation med eksterne elementer. Databusser: er de spor, spor eller kabler, der fysisk forbinder de foregående elementer.

Elementer af en mikroprocessor

Efter at have defineret hoveddelene på en computer og forstået, hvordan information cirkulerer gennem den.

• Kontrolenhed (UC): det er det element, der er ansvarlig for at give ordrer gennem styresignaler, for eksempel uret. Den søger efter instruktioner i hovedhukommelsen og overfører dem til instruktionsdekoderen for at udføre. Indvendige dele:
  1. Ur: Genererer en firkantbølge til synkronisering af processoroperationer Programtæller: Indeholder hukommelsesadressen til den næste instruktion, der skal udføres Instruktionspost: Indeholder den instruktion, der i øjeblikket udføres Sekvens: Genererer elementære kommandoer til behandling af instruktion. Instruktionsdekoder (DI): den er ansvarlig for at tolke og udføre instruktionerne, der ankommer, udtrække instruktionens betjeningskode.

• Logisk aritmetisk enhed (ALU): den er ansvarlig for at foretage de aritmetiske beregninger (SUM, SUBTRAKTION, MULTIPLICATION, DIVISION) og logiske operationer (AND, OR,…). Indvendige dele.
  1. Betjeningskredsløb: de indeholder multipleksere og kredsløb til udførelse af operationer. Registreringsregistre: dataene gemmes og betjenes, inden de går ind i operationskredsløbet Akkumulator: gemmer resultaterne af de udførte operationer Statusregister (Flag): gemmer visse betingelser, der skal tages i betragtning i efterfølgende operationer.

• Flydende enhed (FPU): Dette element var ikke i det originale arkitekturdesign, det blev senere introduceret, da instruktionerne og beregningerne blev mere komplekse med udseendet af de grafisk repræsenterede programmer. Denne enhed er ansvarlig for at udføre flydende punktoperationer, det vil sige reelle tal. Optag bank og cache: Dagens processorer har flygtig hukommelse, der broer fra RAM til CPU. Dette er meget hurtigere end RAM og er ansvarlig for at fremskynde mikroprocessorens adgang til hovedhukommelsen.

• Frontbuss (FSB): Også kendt som en databus, hovedbuss eller systembus. Det er stien eller kanalen, der kommunikerer mikroprocessoren med bundkortet, specifikt med den chip, der kaldes nordbroen eller nothbridge. Dette er ansvarligt for at kontrollere driften af ​​de vigtigste CPU-bus-, RAM- og ekspansionsporte, såsom PCI-Express.Betegnelserne, der bruges til at definere denne bus, er "Quick Path Interconnect" for Intel og "Hypertransport" for AMD.

Kilde: sleeperfurniture.co

Kilde: ixbtlabs.com

• Bagside BUS (BSB): denne bus kommunikerer niveau 2 cachehukommelse (L2) med processoren, så længe den ikke er integreret i selve CPU-kernen. I øjeblikket har alle mikroprocessorer cachehukommelse indbygget i selve chippen, så denne bus er også en del af den samme chip.

To eller flere kerne mikroprocessorer

I den samme processor vil vi ikke kun have disse elementer distribueret inde, men de er nu replikeret. Vi vil have flere processorkerner eller hvad der er de samme flere mikroprocessorer inden i enheden. Hver af disse har deres egen cache L1 og L2, normalt deles L3 mellem dem, parvis eller sammen.

Derudover har vi en ALU, UC, DI og FPU for hver af kernerne, så hastigheden og behandlingskapaciteten multiplicerer afhængigt af antallet af kerner, den har. Nye elementer vises også inde i mikroprocessorerne:

• Integreret hukommelseskontroller (IMC): Nu med udseendet på flere kerner har processoren et system, der giver dig mulighed for direkte adgang til hovedhukommelsen. Integreret GPU (iGP) - GPU håndterer grafikbehandling. Dette er for det meste flydende punktoperationer med bitdynge med høj densitet, så behandlingen er meget mere kompliceret end normale programdata. På grund af dette er der mikroprocessorområder, der implementerer i dem en enhed, der udelukkende er dedikeret til grafisk behandling.

Nogle processorer, såsom AMD Ryzen, har ikke et internt grafikkort. Bare dine APU'er?

Mikroprocessordrift

En processor fungerer efter instruktioner, hver af disse instruktioner er en binær kode for en bestemt udvidelse, som CPU'en er i stand til at forstå.

Et program er derfor et sæt instruktioner, og for at udføre det skal det udføres sekventielt, dvs. udføre en af ​​disse instruktioner på hvert trin eller tidsrum. For at udføre en instruktion er der flere faser:

• Instruktionssøgning: vi bringer instruktionen fra hukommelse til processor Instruktionsafkodning: instruktionen er opdelt i enklere koder, der er forståelige af CPU- betjent søgning: med instruktionen indlæst i CPU'en, skal du finde den tilsvarende operator Udførelse af instruktion: udfør den nødvendige logiske eller aritmetiske handling Gemme resultatet: resultatet cache

Hver processor arbejder med et vist sæt instruktioner, disse er udviklet sammen med processorer. Navnet x86 eller x386 henviser til det sæt instruktioner, som en processor arbejder med.

Traditionelt er 32-bit-processorer også kaldet x86, dette skyldes, at de i denne arkitektur har arbejdet med dette sæt instruktioner fra Intel 80386-processoren, som var den første til at implementere en 32-bit-arkitektur.

Dette sæt instruktioner skal opdateres for at arbejde mere effektivt og med mere komplekse programmer. Undertiden ser vi, at der i kravene til et program, der skal køres, kommer et sæt akronymer som SSE, MMX osv. Dette er sæt instruktioner, som en mikroprocessor kan håndtere. Så vi har:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): De bemyndigede CPU'erne til at arbejde med flydende punktoperationer. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 osv.: Forskellige opdateringer til dette sæt instruktioner.

Processor inkompatibilitet

Vi husker alle, hvornår et Apple-operativsystem kunne køre på en Windows- eller Linux-pc. Dette skyldes typen af ​​instruktioner fra de forskellige processorer. Apple brugte PowerPC-processorer, som arbejdede med andre instruktioner end Intel og AMD. Der er således flere instruktionsdesign:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): det er den, der bruges af Intel og AMD, det handler om at bruge et sæt få instruktioner, men komplekse. De har større forbrug af ressourcer, da de er mere komplette instruktioner, der kræver flere urcyklusser. RISC (reduceret instruktionssætcomputer): det er den, der bruges af Apple, Motorola, IBM og PowerPC, disse er mere effektive processorer med flere instruktioner, men mindre kompleksitet.

I øjeblikket er begge operativsystemer kompatible, fordi Intel og AMD implementerer en kombination af arkitekturer i deres processorer.

Instruktion udførelsesproces

1. Processoren genstarter, når den modtager et RESET-signal, på denne måde forbereder systemet sig ved at modtage et kloksignal, der bestemmer processens hastighed. I CP-registeret (programtæller), hukommelsesadressen, hvor Kontrolenheden (UC) udsender kommandoen til at hente den instruktion, som RAM'en har gemt i hukommelsesadressen, der er i CP. Derefter sender RAM dataene, og de placeres på databussen indtil som er gemt i RI (Instruktionsregister). UC administrerer processen, og instruktionen overføres til dekoderen (D) for at finde betydningen af ​​instruktionen. Dette går derefter gennem UC, der skal udføres. Når det vides, hvad instruktionen er, og hvilken operation der skal udføres, begge er indlæst i ALU-indgangsregistrene (REN). ALU udfører handlingen og placerer resultatet i databus og CP tilføjes 1 for at udføre følgende instruktion.

Hvordan man ved, om en processor er god

For at vide, om en mikroprocessor er god eller dårlig, må vi se på hver af dens interne komponenter:

Busbredde

Bredden på en bus bestemmer størrelsen på de registre, der kan cirkulere gennem den. Denne bredde skal svare til størrelsen på processorregistrerne. På denne måde har vi, at bredden af ​​bussen repræsenterer det største register, som den er i stand til at transportere i en enkelt operation.

Direkte relateret til bussen vil også være RAM-hukommelse, den skal kunne gemme hvert af disse registre med den bredde, de har (dette kaldes hukommelsesordets bredde).

Hvad vi i øjeblikket har, når busbredden er 32 bit eller 64 bit, det vil sige, at vi samtidig kan transportere, opbevare og behandle kæder på 32 eller 64 bit. Med 32 bit, der hver har muligheden for at være 0 eller 1, kan vi adressere en mængde hukommelse på 2 ³² (4 GB) og med 64 bit 16 EB Exabyte. Dette betyder ikke, at vi har 16 hukommelsesekvens på vores computer, men snarere repræsenterer evnen til at styre og bruge en bestemt mængde hukommelse. Derfor er den berømte begrænsning af 32-bit-systemer til kun at adressere 4 GB hukommelse.

Kort sagt, jo bredere bussen er, jo mere arbejdskapacitet.

Cachehukommelse

Disse minder er meget mindre end RAM, men meget hurtigere. Dens funktion er at gemme instruktionerne, der lige skal behandles, eller de sidst behandlede. Jo mere cachehukommelse, desto højere er transaktionshastigheden, som CPU'en kan hente og tabe.

Her skal vi være opmærksomme på, at alt, hvad der når processoren, kommer fra harddisken, og dette kan siges at være enormt langsommere end RAM og endnu mere end cache-hukommelse. Det er af denne grund, at disse solid-state-minder er designet til at løse den store flaskehals, der er harddisken.

Og vi vil spørge os selv, hvorfor fremstiller de ikke kun store cacher, svaret er enkelt, fordi de er meget dyre.

Intern processorhastighed

Internethastighed er næsten altid den mest slående ting, når man ser på en processor. "Processoren kører på 3, 2 GHz, " men hvad er dette? Hastighed er den urfrekvens, hvorpå mikroprocessoren fungerer. Jo højere denne hastighed, jo flere operationer pr. Tidsenhed vil den kunne udføre. Dette omsættes til højere ydelse, det er derfor, der er en cachehukommelse, for at fremskynde datainsamlingen fra processoren til altid at udføre det maksimale antal operationer pr. Tidsenhed.

Denne urfrekvens er givet af et periodisk kvadratisk bølgesignal. Den maksimale tid at foretage en operation er en periode. Perioden er den inverse af frekvensen.

Men ikke alt er hastighed. Der er mange komponenter, der påvirker hastigheden på en processor. Hvis vi for eksempel har en 4-core processor ved 1, 8 GHz og en anden single-core ved 4, 0 GHz, er det sikker på, at quad-core er hurtigere.

Bushastighed

Ligesom processorens hastighed er vigtig, er databusens hastighed også vigtig. Bundkortet fungerer altid med en meget lavere urfrekvens end mikroprocessoren, og derfor skal vi bruge en multiplikator, der justerer disse frekvenser.

Hvis vi for eksempel har et bundkort med en bus ved en urfrekvens på 200 MHz, når en 10x multiplikator en CPU-frekvens på 2 GHz.

mikroarkitektur

Mikroarkitekturen i en processor bestemmer antallet af transistorer pr. Afstandenhed i den. Denne enhed måles i øjeblikket i nm (nanometer), jo mindre den er, jo større er antallet af transistorer, der kan introduceres, og derfor kan det større antal elementer og integrerede kredsløb rumme.

Dette påvirker direkte energiforbrug, mindre enheder har brug for mindre elektronstrøm, så der er behov for mindre energi til at udføre de samme funktioner som i en større mikroarkitektur.

Kilde: intel.es

Komponentkøling

På grund af den enorme hastighed, som CPU'en når, genererer den nuværende strøm varme. Jo højere frekvens og spænding der vil være en større generation af varme, derfor er det nødvendigt at afkøle denne komponent. Der er flere måder at gøre dette på:

• Passiv afkøling: ved hjælp af metalliske dissipatorer (kobber eller aluminium), der øger overfladen af ​​kontakt med luften ved hjælp af finner. Aktiv køling : Foruden kølepladen er der også placeret en ventilator for at tilvejebringe tvungen luftstrømning mellem finnene på det passive element.

• Væskekøling: Den består af et kredsløb, der består af en pumpe og en finnet radiator. Vandet cirkuleres gennem en blok placeret i CPU'en, det flydende element opsamler den dannede varme og transporterer den til radiatoren, som ved hjælp af tvungen ventilation spreder varmen og igen sænker væskens temperatur.

Nogle processorer inkluderer en køleplade. Normalt er de ikke en big deal… men de tjener til at få pc'en i gang og forbedre den på samme tid

• Afkøling med Heatpipes: systemet består af et lukket kredsløb af kobber- eller aluminiumsrør fyldt med væske. Denne væske opsamler varme fra CPU'en og fordamper stigende til toppen af ​​systemet. På dette tidspunkt er der en finnet køleplade, der udveksler væskens varme fra indersiden til den udvendige luft, på denne måde kondenserer væsken og falder tilbage til CPU-blokken.

Vi anbefaler

Dette afslutter vores artikel om, hvad en processor er, og hvordan den fungerer i detaljer. Vi håber du kunne lide det.