▷ Vad är en processor och hur fungerar det

Idag ska vi se lite hårdvara. Vårt team består av ett stort antal elektroniska komponenter som tillsammans kan lagra och bearbeta data. Processorn, CPU eller central processorenhet är dess huvudkomponent. Vi kommer att prata om vad en processor är, vad dess komponenter är och hur den fungerar i detalj.

Är du redo? Låt oss börja!

Innehållsindex

Vad är en processor?

Det första vi måste definiera är vad en mikroprocessor är att veta allt annat. Mikroprocessorn är hjärnan i en dator eller en dator, den består av en integrerad krets inkapslad i ett kiselchip som består av miljoner transistorer. Dess funktion är att bearbeta data, kontrollera driften av alla datorer, åtminstone en stor del av dem och viktigast av allt: det ansvarar för att utföra de logiska och matematiska operationerna.

Om vi ​​inser det, är all information som cirkulerar genom vår maskin elektriska impulser, som består av signaler om sådana och nollor som kallas bitar. Var och en av dessa signaler grupperas i en uppsättning bitar som utgör instruktioner och program. Mikroprocessorn ansvarar för att förstå allt detta genom att utföra grundläggande operationer: SUM, SUBTRACT, AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE AND INVERSE. Då måste vi till mikroprocessorn:

• Den avkodar och kör instruktionerna för de program som laddats i datorns huvudminne. Koordinerar och kontrollerar alla komponenter som utgör datorn och kringutrustning som är anslutna till den, mus, tangentbord, skrivare, skärm, etc.

Processorerna är för närvarande vanligtvis kvadratiska eller rektangulära och är placerade på ett element som kallas ett uttag fäst vid moderkortet. Detta kommer att ansvara för att distribuera data mellan processorn och resten av de element som är anslutna till den.

Arkitektur av en dator

I följande avsnitt ser vi hela processorns arkitektur.

Von Neumann arkitektur

Sedan uppfinningen av mikroprocessorer fram till idag är de baserade på en arkitektur som delar processorn i flera element som vi kommer att se senare. Detta kallas Von Neumann-arkitektur. Det är en arkitektur som uppfanns 1945 av matematikern Von Neumann som beskriver designen av en digital dator uppdelad i en serie delar eller element.

De nuvarande processorerna är fortfarande till stor del baserade på denna grundläggande arkitektur, även om logiskt sett har ett stort antal nya element införts tills vi har de extremt kompletta elementen som vi har idag. Möjlighet till flera nummer på samma chip, minneelement på olika nivåer, inbyggd grafikprocessor etc.

Inre delar av en dator

De grundläggande delarna av en dator enligt denna arkitektur är följande:

• Memory: är det element där instruktionerna som datorn kör och data som instruktionerna fungerar på lagras. Dessa instruktioner kallas programmet. Central Processing Unit eller CPU: det är det element som vi tidigare har definierat. Det ansvarar för att behandla instruktionerna som kommer till det från minnet.Input och utgångsenhet: det tillåter kommunikation med externa element. Databussar: är spår, spår eller kablar som fysiskt ansluter de tidigare elementen.

Element i en mikroprocessor

Efter att ha definierat huvuddelen av en dator och förstått hur information cirkulerar genom den.

• Styrenhet (UC): det är det element som ansvarar för att ge order via styrsignaler, till exempel klockan. Den söker efter instruktioner i huvudminnet och skickar dem till instruktionsavkodaren för att köra. Inre delar:
  1. Klocka: Genererar en kvadratisk våg för att synkronisera processoroperationer Programräknare: Innehåller minnesadressen för nästa instruktion som ska utföras Instruktionspost: Innehåller instruktionen som för närvarande körs Sequencer: Genererar elementära kommandon för bearbetning av instruktion. Instruktionsavkodare (DI): den ansvarar för att tolka och utföra instruktionerna som kommer, extrahera instruktionens funktionskod.

• Logisk aritmetisk enhet (ALU): den ansvarar för att göra de aritmetiska beräkningarna (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) och logiska operationer (AND, OR,…). Inre delar.
  1. Driftkrets: de innehåller multiplexorer och kretsar för att utföra operationer. Ingångsregister: data lagras och drivs innan de går in i driftkretsen Akkumulator: lagrar resultaten av utförda operationer Statusregister (Flagga): lagrar vissa villkor som måste beaktas vid efterföljande operationer.

• Flytande punktenhet (FPU): Detta element var inte i den ursprungliga arkitekturdesignen, det infördes senare när instruktionerna och beräkningarna blev mer komplexa med utseendet på de grafiskt representerade programmen. Denna enhet är ansvarig för att utföra flytande punktoperationer, det vill säga riktiga nummer. Spela in bank och cache: Dagens processorer har flyktigt minne som överbryggar från RAM till CPU. Detta är mycket snabbare än RAM och ansvarar för att snabba upp mikroprocessorns åtkomst till huvudminnet.

• Frontsidobuss (FSB): Även känd som en databuss, huvudbuss eller systembuss. Det är vägen eller kanalen som kommunicerar mikroprocessorn med moderkortet, speciellt med chipet som kallas norra bron eller nothbridge. Detta ansvarar för att kontrollera driften av huvud CPU-buss, RAM och expansionsportar som PCI-Express.Termen som används för att definiera denna buss är "Quick Path Interconnect" för Intel och "Hypertransport" för AMD.

Källa: sleeperfurniture.co

Källa: ixbtlabs.com

• Baksida BUS (BSB): denna buss kommunicerar nivå 2-cacheminnet (L2) med processorn, så länge den inte är integrerad i själva CPU-kärnan. För närvarande har alla mikroprocessorer cacheminne inbyggt i själva chipet, så denna buss är också en del av samma chip.

Två eller flera kärnmikroprocessorer

I samma processor kommer inte bara dessa element att distribueras inuti, utan de replikeras nu. Vi kommer att ha flera processorkärnor eller vad som är samma flera mikroprocessorer i enheten. Var och en av dessa kommer att ha sin egen cache L1 och L2, normalt delas L3 mellan dem, parvis eller tillsammans.

Utöver detta kommer vi att ha en ALU, UC, DI och FPU för var och en av kärnorna, så hastigheten och behandlingskapaciteten multiplicerar beroende på antalet kärnor den har. Nya element visas också i mikroprocessorerna:

• Integrerad minneskontroller (IMC): Nu med flera kärnors utseende har processorn ett system som gör att du direkt kan komma åt huvudminnet. Integrerad GPU (iGP) - GPU hanterar grafikbearbetning. Dessa är mestadels flytande punktoperationer med högdensitetsbitsträngar, så behandlingen är mycket mer komplex än normal programdata. På grund av detta finns det mikroprocessorområden som implementerar inuti en enhet som uteslutande är avsedd för grafikbearbetning.

Vissa processorer, såsom AMD Ryzen, har inte ett internt grafikkort. Bara dina APU?

Mikroprocessordrift

En processor fungerar enligt instruktioner, var och en av dessa instruktioner är en binär kod för en viss förlängning som CPU kan förstå.

Ett program är därför en uppsättning instruktioner och för att utföra det måste det utföras i följd, det vill säga att utföra en av dessa instruktioner vid varje steg eller tidsperiod. För att utföra en instruktion finns det flera faser:

• Instruktionssökning: vi tar instruktionen från minnet till processorn Avkodning av instruktioner: instruktionen är uppdelad i enklare koder som kan förstås av CPU Opererad sökning: med instruktionen laddad i CPU måste du hitta motsvarande operatör Utförande av instruktion: utför nödvändig logisk eller aritmetisk operation Spara resultatet: resultatet cachelagras

Varje processor arbetar med en viss uppsättning instruktioner, dessa har utvecklats tillsammans med processorerna. Namnet x86 eller x386 hänvisar till uppsättningen instruktioner som en processor arbetar med.

Traditionellt har 32-bitars processorer också kallats x86, det beror på att de i denna arkitektur har arbetat med denna uppsättning instruktioner från Intel 80386-processorn som var den första som implementerade en 32-bitarsarkitektur.

Denna uppsättning instruktioner måste uppdateras för att fungera mer effektivt och med mer komplexa program. Ibland ser vi att i kraven för att ett program ska köras kommer en uppsättning akronymer som SSE, MMX, etc. Det här är uppsättningen instruktioner som en mikroprocessor kan hantera. Så vi har:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): De gav CPU: erna möjlighet att arbeta med flytande punktoperationer. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5, etc: olika uppdateringar av denna uppsättning instruktioner.

Processorns inkompatibilitet

Vi minns alla när ett Apple-operativsystem kunde köras på en Windows- eller Linux-PC. Detta beror på typen av instruktioner från de olika processorerna. Apple använde PowerPC-processorer som fungerade med andra instruktioner än Intel och AMD. Således finns det flera instruktionskonstruktioner:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): det är den som används av Intel och AMD, det handlar om att använda en uppsättning få instruktioner, men komplexa. De har högre resursförbrukning, eftersom de är mer kompletta instruktioner som kräver flera klockcykler. RISC (Reduced Instruction Set Computer): det är den som används av Apple, Motorola, IBM och PowerPC, dessa är effektivare processorer med fler instruktioner, men mindre komplexitet.

För närvarande är båda operativsystemen kompatibla eftersom Intel och AMD implementerar en kombination av arkitekturer i sina processorer.

Instruktion exekveringsprocess

1. Processorn startar om när den mottar en RESET-signal, på detta sätt förbereder systemet sig genom att ta emot en klocksignal som bestämmer processens hastighet. I CP-registret (programräknare) minnesadressen vid vilken Styrenheten (UC) utfärdar kommandot att hämta instruktionen som RAM-minnet har lagrat i minnesadressen som finns i CP. Därefter skickar RAM-datan data och den placeras på databussen tills som lagras i RI (instruktionsregister). UC hanterar processen och instruktionen överförs till avkodaren (D) för att hitta innebörden av instruktionen. Detta går sedan genom UC som ska utföras. När det är känt vad instruktionen är och vilken operation som ska utföras, båda laddas i ALU-ingångsregistren (REN). ALU utför operationen och placerar resultatet i databuss och CP läggs till 1 för att utföra följande instruktion.

Hur man vet om en processor är bra

För att veta om en mikroprocessor är bra eller dålig, måste vi titta på var och en av dess interna komponenter:

Bussbredd

Bussens bredd bestämmer storleken på de register som kan cirkulera genom den. Denna bredd måste matcha storleken på processorregistren. På detta sätt har vi att bussens bredd representerar det största registret som den kan transportera i en enda operation.

Direkt relaterad till bussen är också RAM-minne, den måste kunna lagra vart och ett av dessa register med den bredd de har (detta kallas minnesordets bredd).

Det vi för närvarande har när bussbredden är 32 bitar eller 64 bitar, det vill säga att vi samtidigt kan transportera, lagra och bearbeta kedjor på 32 eller 64 bitar. Med 32 bitar som var och en har möjligheten att vara 0 eller 1 kan vi adressera en mängd minne på 2 ³² (4 GB) och med 64 bitar 16 EB Exabyte. Det betyder inte att vi har 16 exabyte minne på vår dator, utan snarare representerar förmågan att hantera och använda en viss mängd minne. Därför den berömda begränsningen av 32-bitars system för att adressera endast 4 GB minne.

Kort sagt, ju bredare bussen är, desto mer arbetskapacitet.

Cacheminne

Dessa minnen är mycket mindre än RAM men mycket snabbare. Dess funktion är att lagra instruktionerna som bara kommer att behandlas eller de sista som behandlas. Ju mer cacheminne, desto högre transaktionshastighet som CPU kan hämta och släppa.

Här måste vi vara medvetna om att allt som når processorn kommer från hårddisken, och detta kan sägas vara enormt långsammare än RAM och ännu mer än cacheminnet. Det är av denna anledning som dessa solid-state-minnen utformades för att lösa den stora flaskhalsen som är hårddisken.

Och vi kommer att fråga oss själva, varför tillverkar de inte bara stora cachar, svaret är enkelt, eftersom de är väldigt dyra.

Intern processorhastighet

Internethastighet är nästan alltid det mest slående när man tittar på en processor. "Processorn körs med 3, 2 GHz, " men vad är det här? Hastighet är klockfrekvensen vid vilken mikroprocessorn fungerar. Ju högre denna hastighet, desto fler operationer per tidsenhet kommer den att kunna utföra. Detta översätter till högre prestanda, det är därför det finns ett cacheminne, för att påskynda datainsamlingen av processorn för att alltid göra det maximala antalet operationer per tidsenhet.

Denna klockfrekvens ges av en periodisk kvadratvågsignal. Den maximala tiden att göra en operation är en period. Perioden är omvänd frekvens.

Men inte allt är hastighet. Det finns många komponenter som påverkar processorns hastighet. Om vi ​​till exempel har en 4-kärnprocessor vid 1, 8 GHz och en annan enkelkärna vid 4, 0 GHz, är det säkert att fyrkärnan är snabbare.

Busshastighet

Precis som processorhastigheten är viktig, är databussens hastighet också viktig. Moderkortet fungerar alltid med en mycket lägre klockfrekvens än mikroprocessorn, av den anledningen kommer vi att behöva en multiplikator som justerar dessa frekvenser.

Om vi ​​till exempel har ett moderkort med en buss med en klockfrekvens på 200 MHz, kommer en 10x multiplikator att nå en CPU-frekvens på 2 GHz.

mikroarkitektur

Mikroarkitekturen hos en processor bestämmer antalet transistorer per avståndsenhet i den. Denna enhet mäts för närvarande i nm (nanometer), desto mindre den är, desto större kan antalet transistorer införas, och därför kan det större antalet element och integrerade kretsar rymmas.

Detta påverkar direkt energiförbrukningen, mindre enheter kommer att behöva mindre elektronflöde, så mindre energi kommer att behövas för att utföra samma funktioner som i en större mikroarkitektur.

Källa: intel.es

Komponentkylning

På grund av CPU: s enorma hastighet genererar det nuvarande flödet värme. Ju högre frekvens och spänning det kommer att finnas en större generation av värme, därför är det nödvändigt att kyla denna komponent. Det finns flera sätt att göra detta:

• Passiv kylning: med hjälp av metalliska spridare (koppar eller aluminium) som ökar kontaktytan med luften med hjälp av fenor. Aktiv kylning : Förutom kylflänsen placeras också en fläkt för att tillhandahålla tvingat luftflöde mellan det passiva elementets fenor.

• Vätskekylning: Den består av en krets som består av en pump och en finnerad kylare. Vattnet cirkuleras genom ett block som är beläget i CPU: n, vätskeelementet samlar upp det värme som alstras och transporterar det till kylaren, som med hjälp av tvungen ventilation sprider värmen och sänker igen vätskans temperatur.

Vissa processorer inkluderar en kylfläns. Normalt sett är de inte så mycket… men de tjänar till att få datorn igång och förbättra den på samma gång

• Kylning med Heatpipes: systemet består av en sluten krets av koppar- eller aluminiumrör fyllda med vätska. Denna vätska samlar upp värme från CPU och avdunstar stigande till toppen av systemet. Vid denna tidpunkt finns det en kyld kylfläns som utbyter vätskans värme från insidan till den yttre luften, på detta sätt kondenserar vätskan och faller ner till CPU-blocket.

Vi rekommenderar

Detta avslutar vår artikel om vad en processor är och hur den fungerar i detalj. Vi hoppas att du gillade det.