▷ Delar av en processor utanför och inuti: grundkoncept?

Visst vet vi alla ungefär vad en CPU är, men vet vi verkligen vad delar av en processor är ? Var och en av de huvudsakliga, som är nödvändiga för att denna lilla kvadrat av kisel ska kunna bearbeta stora mängder information, att kunna överföra mänskligheten till en era där, utan att ha elektroniska system, skulle vara ett komplett problem.

Processorer är redan en del av vårt dagliga liv, särskilt människor som har fötts under de senaste 20 åren. Många har blivit fullständigt blandade med teknik, för att inte tala om de små som har en smartphone under sina armar istället för en limpa… I alla dessa enheter finns det ett gemensamt element som kallas en processor, som ansvarar för att ge "intelligens" till maskinerna omkring oss. Om detta element inte existerade, varken skulle datorer, mobiler, robotar och monteringslinjer, kort sagt, alla skulle ha arbete… men det skulle vara omöjligt att komma dit vi har gjort dem, det finns fortfarande ingen värld som "Matrix" men allt kommer att gå.

Innehållsindex

Vad är en processor och varför är det så viktigt

Först måste vi vara medvetna om att inte bara en dator har en processor inuti. Alla elektroniska enheter har alla ett element som fungerar som en processor, oavsett om det är en digital klocka, en programmerbar automat eller en smartphone.

Men naturligtvis måste vi också vara medvetna om att beroende på deras kapacitet och för vad de tillverkas kan processorer vara mer eller mindre komplexa, från att helt enkelt köra en rad binära koder till att tända en LED-panel, till att hantera enorma mängder av information, inklusive att lära av dem (maskininlärning och artificiell intelligens).

CPU eller Central Processing Unit på spanska är en elektronisk krets som kan utföra uppgifterna och instruktionerna i ett program. Dessa instruktioner är mycket förenklade och kokar ner till grundläggande aritmetiska beräkningar (tillägg, subtraktion, multiplikation och delning), logiska operationer (AND, OR, NOT, NOR, NAND) och input / output (I / O) -kontroll. av enheterna.

Då är processorn det element som ansvarar för att utföra alla operationer som utgör instruktionerna i ett program. Om vi ​​sätter oss själva i maskinens synvinkel reduceras dessa operationer till enkla nollkedjor och sådana, kallade bitar, och som representerar de nuvarande / icke-nuvarande tillstånden och bildar därmed binära logiska strukturer som till och med människan kan. att förstå och programmera i maskinkod, monterare eller genom ett högre nivå programmeringsspråk.

Transistorerna, de skyldiga till allting

Processorer skulle inte existera, minst lika små, om det inte vore för transistorerna. De är så att säga basenheten för alla processorer och integrerade kretsar. Det är en halvledaranordning som stänger eller öppnar en elektrisk krets eller förstärker en signal. På detta sätt är det hur vi kan skapa sådana och nollor, det binära språket som CPU förstår.

Dessa transistorer började som vakuumventiler, enorma glödlampa-liknande enheter som kan utföra transistorns egna pendlingar, men med mekaniska element i vakuum. Datorer som ENIAC eller EDVAC hade vakuumventiler i sig istället för transistorer och de var oerhört stora och praktiskt taget förbrukade energin i en liten stad. Dessa maskiner var de första med Von Neumann-arkitekturen.

Men på 1950- till 1960-talet började de första transistor-CPU: erna skapas - det var faktiskt IBM 1958 när det skapade sin första halvledartransistorbaserade maskin med IBM 7090. Sedan dess var utvecklingen spektakulär, tillverkare som Intel och senare AMD började skapa de första processorerna för stationära datorer och implementerade den revolutionerande x86-arkitekturen tack vare Intel 8086 CPU. Faktum är att även våra stationära processorer är baserade på denna arkitektur, idag kommer vi att se delar av x86-processorn.

Efter detta började arkitekturen bli allt mer komplex, med mindre chips och även med den första introduktionen av fler kärnor inuti, och sedan med kärnor speciellt dedikerade för grafikbearbetning. Även ultrasnabba minnesbanker som kallas cacheminne och anslutningsbussen med huvudminnet, RAM, infördes i dessa små chips.

De externa delarna av en processor

Efter denna korta granskning av processorns historia tills vi är i vår tid kommer vi att se vilka externa element en aktuell processor har. Vi pratar om fysiska element som kan beröras och som är i syn på användaren. Detta kommer att hjälpa oss att bättre förstå processorns fysiska behov och anslutningsmöjligheter.

socket

CPU-uttaget eller -uttaget är ett elektromekaniskt system som är fast installerat på ett moderkort som ansvarar för att koppla in processorn med de andra elementen på kortet och datorn. Det finns flera grundläggande typer av uttag på marknaden och även med många olika konfigurationer. Det finns tre element i ditt namn eller valör som gör att vi förstår vilken vi pratar om:

Tillverkaren kan vara Intel eller AMD när det gäller persondatorer, detta är något enkelt att förstå. När det gäller typen av anslutning har vi tre olika typer:

• LGA: (rutnätkontaktuppsättning), betyder att kontaktstiften är installerade i själva uttaget, medan CPU endast har en platt kontaktuppsättning. PGA: (rutnät med stift), det är precis motsatsen till den föregående, det är processorn som har stiften och uttaget hål för att sätta in dem. BGA: (kulnätsuppsättning), i detta fall är processorn direkt lödd till moderkortet.

När det gäller det sista numret identifierar den typen av distribution eller antalet anslutningsstift som CPU har med uttaget. Det finns en enorm mängd av dem både i Intel och AMD.

substratum

Underlaget är i princip PCB där kiselchipet som innehåller kärnans elektroniska krets, kallat DIE, är installerat. Dagens processorer kan ha mer än ett av dessa element installerade separat.

Men också denna lilla PCB innehåller hela matrisen av anslutningsstift med uttaget på moderkortet, nästan alltid guldpläterat för att förbättra överföringen av elektricitet, och med skydd mot överbelastning och strömavbrott i form av kondensatorer.

DIE

DIE är just det fyrkant eller chip som innehåller alla integrerade kretsar och interna komponenter i en processor. Visuellt ses det som ett litet svart element som skjuter ut från underlaget och kommer i kontakt med värmeavledningselementet.

Eftersom hela processystemet är inuti det når DIE otroligt höga temperaturer, så det måste skyddas av andra element.

IHS

Kallas också DTS eller Integrated Thermal Diffuser, och dess funktion är att fånga upp hela processorns kärnor och överföra den till kylaren som detta element har installerat. Det är tillverkat av koppar eller aluminium.

Detta element är ett ark eller kapsling som skyddar DIE från utsidan och kan vara i direkt kontakt med det med hjälp av termisk pasta eller direkt svetsad. I anpassad spelutrustning tar användarna bort denna IHS för att placera kylflänsar direkt i kontakt med DIE med termisk pasta i en flytande metallförening. Denna process kallas Delidding och dess syfte är att väsentligt förbättra processortemperaturerna.

kylfläns

Det sista elementet som ansvarar för att fånga upp så mycket värme som möjligt och överföra det till atmosfären. De är små eller stora block tillverkade av aluminium och en kopparbas, försedda med fläktar som hjälper till att kyla hela ytan med hjälp av en tvungen luftström genom fenorna.

Varje PC-processor behöver en kylfläns för att fungera och hålla temperaturen under kontroll.

Det är väl delarna av en processor externt, nu kommer vi att se den mest tekniska delen, dess interna komponenter.

Von Neumann arkitektur

Dagens datorer är baserade på arkitekturen för Von Neumann, som var den matematiker som ansvarade för att ge liv till de första datorerna i historien 1945, vet du, ENIAC och dess andra stora vänner. Denna arkitektur är i princip det sätt på vilket elementen eller komponenterna i en dator distribueras så att dess funktion är möjlig. Den består av fyra grunddelar:

• Program- och dataminne: det är det element där instruktionerna som ska köras i processorn lagras. Den består av lagringsenheter eller hårddiskar, RAM-minne för slumpmässig åtkomst och program som innehåller själva instruktionerna. Central Processing Unit eller CPU: det här är processorn, enheten som kontrollerar och bearbetar all information som kommer från huvudminnet och ingångsenheterna. Ingångs- och utgångsenhet: tillåter kommunikation med kringutrustning och komponenter som är anslutna till centralenheten. Fysiskt kunde vi identifiera dem som kortplatserna och portarna på vårt moderkort. Databussar: är spår, spår eller kablar som fysiskt ansluter elementen. I en CPU är de indelade i kontrollbussen, databussen och adressbussen.

Flerkärniga processorer

Innan vi börjar lista de interna komponenterna i en processor, är det mycket viktigt att veta vad processorns kärnor är och deras funktion i den.

Kärnan i en processor är den integrerade kretsen som ansvarar för att utföra nödvändiga beräkningar med den information som passerar genom den. Varje processor arbetar med en viss frekvens, mätt i MHz, vilket indikerar antalet operationer den kan utföra. Nuvarande processorer har inte bara en kärna, utan flera av dem, alla med samma interna komponenter och kan utföra och lösa instruktioner samtidigt i varje klockcykel.

Så om en kärnprocessor kan utföra en instruktion i varje cykel, om den hade 6, kan den köra 6 av dessa instruktioner i samma cykel. Detta är en dramatisk prestandauppgradering, och det är precis vad dagens processorer gör. Men vi har inte bara kärnor utan också bearbetar trådar, som är som en slags logiska kärnor genom vilka trådarna i ett program cirkulerar.

Besök vår artikel om: vad är en processor? Skillnader med kärnorna för att veta mer om ämnet.

Inre delar av en processor (x86)

Det finns många olika mikroprocessorarkitekturer och -konfigurationer, men den som intresserar oss är den som finns inuti våra datorer, och det är utan tvekan den som får namnet x86. Vi kunde se det direkt fysiskt eller schematiskt för att göra det lite tydligare, veta att allt detta ligger inom DIE.

Vi måste komma ihåg att kontrollenheten, aritmetisk-logisk enhet, register och FPU kommer att finnas i var och en av processorkärnorna.

Låt oss först titta på de viktigaste interna komponenterna:

Styrenhet

På engelska som kallas Conrol Unit eller CU ansvarar det för att styra processorns drift. Det gör detta genom att utfärda kommandon i form av styrsignaler till RAM, den aritmetisk-logiska enheten och ingångs- och utgångsenheter så att de vet hur de ska hantera informationen och instruktionerna som skickas till processorn. Till exempel samlar de in data, utför beräkningar och lagrar resultat.

Denna enhet säkerställer att resten av komponenterna fungerar synkroniserade med klock- och tidssignaler. Praktiskt taget alla processorer har denna enhet inuti, men låt oss säga att den ligger utanför vad som är kärnan i själva bearbetningen. I sin tur kan vi urskilja följande delar:

• Clock (CLK): det ansvarar för att generera en fyrkantig signal som synkroniserar de interna komponenterna. Det finns andra klockor som ansvarar för denna synkroni mellan element, till exempel multiplikatorn, som vi kommer att se senare. Programräknare (CP): innehåller minnesadressen för nästa instruktion som ska utföras. Instruktionsregister (RI): sparar instruktionen som utförs Sequencer and Decoder: tolkar och kör instruktionerna genom kommandon

Aritmetisk-logisk enhet

Du kommer säkert att veta detta genom förkortningen ”ALU”. ALU ansvarar för att utföra alla aritmetiska och logiska beräkningar med heltal på bitnivån, denna enhet fungerar direkt med instruktionerna (operander) och med den funktion som styrenheten har instruerat den att göra (operatör).

Operandema kan komma antingen från processorns interna register, eller direkt från RAM-minnet, de kan till och med genereras i ALU själv som ett resultat av en annan operation. Utgången från detta kommer att vara resultatet av operationen, som är ett annat ord som kommer att lagras i ett register. Dessa är dess grundläggande delar:

• Ingångsregister (REN): de förvarar operanerna som ska utvärderas i dem. Driftkod: CU skickar operatören så att operationen kommer att utföras Akkumulator eller resultat: resultatet av operationen kommer ut från ALU som ett binärt ord Statusregister (Flagga): det lagrar olika villkor att ta hänsyn till under operationen.

Flytande enhet

Du känner till det som FPU eller Floating Point Unit. I grund och botten är det en uppdatering som utförs av den nya generationen processorer som specialiserat sig på beräkning av flytande punktoperationer med hjälp av en matematisk samarbetare. Det finns enheter som till och med kan genomföra trigonometriska eller exponentiella beräkningar.

I grunden är det en anpassning för att öka prestandan hos processorerna i grafikbearbetningen där beräkningarna som ska utföras är mycket tyngre och mer komplexa än i vanliga program. I vissa fall utförs FPU: s funktioner av ALU själv med hjälp av en instruktionsmikrokod.

register

Dagens processorer har sitt eget lagringssystem, så att säga, och den minsta och snabbaste enheten är register. I grund och botten är det ett litet lager där instruktionerna som bearbetas och resultaten från dem lagras.

Cacheminne

Nästa lagringsnivå är cacheminne, som också är extremt snabbt minne, mycket mer än RAM-minne som ansvarar för att lagra instruktionerna som kommer att användas omedelbart av processorn. Eller åtminstone försöker du lagra instruktionerna som du tror kommer att användas, eftersom det ibland inte finns något annat val än att begära dem direkt från RAM.

Cache för aktuella processorer är integrerad i samma DIE på processorn och är indelad i totalt tre nivåer, L1, L2 och L3:

• Nivå 1 Cache (L1): Det är den minsta efter loggarna och den snabbaste av de tre. Varje bearbetningskärna har sin egen L1-cache, som i sin tur är uppdelad i två, L1-data som ansvarar för lagring av data, och L1-instruktion, som lagrar instruktionerna att utföra. Det är vanligtvis 32 kB vardera. Nivå 2-cache (L2) - Det här minnet är långsammare än L2, men också större. Vanligtvis har varje kärna sin egen L2, som kan vara cirka 256 kB, men i detta fall är den inte direkt integrerad i kärnkretsen. Nivå 3-cache (L3): Det är den långsammaste av de tre, även om det är mycket snabbare än RAM. Det är också beläget utanför kärnorna och är fördelat mellan flera kärnor. Den sträcker sig mellan 8 MB och 16 MB, även om den i mycket kraftfulla CPU: er når upp till 30 MB.

Ingående och utgående bussar

Bussen är kommunikationskanalen mellan de olika elementen som utgör en dator. Det är de fysiska linjerna genom vilka informationen cirkulerar i form av elektricitet, instruktionerna och alla element som är nödvändiga för att bearbeta. Dessa bussar kan placeras direkt i processorn eller utanför den på moderkortet. Det finns tre typer av bussar på en dator:

• Databuss: säkert det lättaste att förstå, eftersom det är bussen som de data som skickas och tas emot av de olika komponenterna cirkulerar, till eller från processorn. Detta betyder att det är en dubbelriktad buss och genom den kommer att cirkulera ord med en längd på 64 bitar, den längd som processorn kan hantera. Ett exempel på en databuss är LANES eller PCI Express Lines, som kommunicerar CPU med PCI-kortplatserna, till exempel för ett grafikkort. Adressbuss: adressbussen cirkulerar inte data utan minnesadresser för att lokalisera var de data som lagras i minnet är. RAM är som ett stort datalager som är uppdelat i celler, och var och en av dessa celler har sin egen adress. Det kommer att vara processorn som ber minnet om data genom att skicka en minnesadress, denna adress måste vara så stor som celler har RAM-minnet. För närvarande kan en processor adressera minnesadresser på upp till 64 bitar, det vill säga vi kunde hantera minnen på upp till 2 ⁶⁴ celler. Kontrollbuss: kontrollbussen ansvarar för att hantera de två tidigare bussarna, använda styr- och tidssignaler för att göra synkroniserad och effektiv användning av all information som cirkulerar till eller från processorn. Det skulle vara som flygplatskontrolltornet på en flygplats.

BSB, ingång / utgångsenhet och multiplikator

Det är viktigt att veta att de nuvarande processorerna inte har den traditionella FSB eller Front Bus, som tjänade till att kommunicera CPU med resten av elementen på moderkortet, till exempel chipset och kringutrustning genom norra bron och södra bron. Detta beror på att bussen själv har satts in i CPU: n som en in- och utgångsdatahanteringsenhet som direkt kommunicerar RAM med processorn som om det var den gamla norrbron. Tekniker som AMD: s HyperTransport eller Intels HyperThreading ansvarar för att hantera informationsutbytet om högpresterande processorer.

BSB- eller baksidobussen är bussen som ansvarar för att ansluta mikroprocessorn till sitt eget cacheminne, normalt L2. På detta sätt kan Frontbussen frigöras från en hel belastning och därmed föra cacharnas hastighet ännu närmare kärnans hastighet.

Och slutligen har vi multiplikatorerna, som är en serie element som finns i eller utanför processorn som ansvarar för att mäta förhållandet mellan CPU-klockan och klockan för de externa bussarna. Vid denna tidpunkt vet vi att CPU är ansluten till element som RAM, chipset och andra kringutrustning via bussar. Tack vare dessa multiplikatorer är det möjligt att CPU-frekvensen är mycket snabbare än de externa bussarna för att kunna bearbeta mer data.

En multiplikator av x10 till exempel tillåter ett system som arbetar vid 200 MHz att arbeta på CPU vid 2000 MHz. I nuvarande processorer kan vi hitta enheter med multiplikatorn olåst, vilket innebär att vi kan öka dess frekvens och därmed dess bearbetningshastighet. Vi kallar det för överklockning.

IGP eller internt grafikkort

För att avsluta med delar av en processor kan vi inte glömma den integrerade grafikenheten som några av dem har. Innan vi har sett vad en FPU är, och i det här fallet står vi inför något liknande, men med mycket mer kraft, eftersom de i princip är en serie kärnor som kan oberoende bearbeta grafiken för vårt team, som för matematiska ändamål är en enorm mängd flytande punktberäkningar och grafikåtergivning som skulle vara mycket processorintensiv.

IGP har samma funktion som ett externt grafikkort, det vi installerade via PCI-Express-kortplatsen, bara i mindre skala eller kraft. Det kallas den integrerade grafikprocessorn eftersom det är en integrerad krets som är installerad i samma processor som avlastar den centrala enheten i denna serie av komplicerade processer. Det kommer att vara användbart när vi inte har ett grafikkort, men för tillfället har det inte en prestanda som är jämförbar med dessa.

Både AMD och Intel har enheter som integrerar IGP i CPU: en och kallas därför APU (Accelerated Processing Unit). Ett exempel på detta är nästan hela Intel Core i i-familjen, tillsammans med AMD Athlon och några Ryzen.

Slutsats om delar av en processor

Tja, vi kommer till slutet av den här långa artikeln där vi ser på ett mer eller mindre grundläggande sätt vad delar av en processor är, både ur en extern och intern synvinkel. Sanningen är att det är ett väldigt intressant ämne men jävligt komplicerat och långt att förklara, vars detaljer är utanför förståelsen för nästan alla oss som inte är nedsänkta i monteringslinjerna och tillverkarna av denna typ av enheter.

Nu lämnar vi dig med några tutorials som kan vara intressanta för dig.

Om du har några frågor eller vill klargöra något problem i artikeln inbjuder vi dig att skriva det i kommentarrutan. Det är alltid bra att ha andras åsikt och visdom.