Procesor(CPU) Filip Barič 3.E

Čo je to CPU ? Je to hlavný procesor počítača.(CPU - Central Processing Unit). Procesor je integrovaný obvod tvoriaci "srdce" a "mozog" celého počítača. Interpretuje, vykonáva alebo spracúva inštrukcie alebo dáta programu vo forme strojového kódu. Strojový kód alebo tiež strojový jazyk je súbor inštrukcií priamo vykonateľný procesorom počítača. Dnes sú centrálne procesorové jednotky takmer vždy realizované vo forme mikroprocesora.

Mikroprocesor Toto slovo je zložené z dvoch častí : mikro a procesor. Mikro znamená že obvod je miniaturizovaný. Procesor znamená , že táto súčiastka dokáže podľa nejakého programu spracovať dáta. Základnou vlastnosťou mikroprocesora odlišujúcou ho od ostatných elektronických odvodov je teda programovateľnosť. Druhou vlastnosťou mikroprocesora je to, že ide o jednu súčiastku, prípadne množinu súčiastok, ktoré vystupujú ako jedna.

História Na prelome šesťdesiatych a sedemdesiatych rokov sa objavil nový druh elektronickej súčiastky, ktorý od základu zmenil celú výpočtovú techniku - mikroprocesor. Intel začala výrobu prvého mikroprocesora Intel 4004 v roku 1971. Asi v roku 1974 nová technológia MOS - N dovolila vznik tzv. mikroprocesorom druhej generácie. V roku 1976 sa objavila tretia generácia mikroprocesorov. Tieto obvody sa od svojich predchodcov veľmi nelíšili. Predstaviteľom tejto generácie bol Intel 8085. Vývojový tím, ktorý tieto mikroprocesory dovtedy vyvíjal založil novú spoločnosť Zilog, kde vytvoril vlastný mikroprocesor, preslávený Zilog Z- 80.

História Jej nástupcom sa stala 16 bitová technológia. Prvý takýto mikroprocesor vyvinula opäť firma Intel v roku 1980 a nazvala ho Intel 8086. Ďalším krokom vo vývoji mikroprocesorov v polovici osemdesiatych rokov bol prechod na 32 bitovú technológiu. Typický bol Intel 80386 a Motorola 68030. V roku 1993 Intel vyvinul prevratný model 32 bitovej architektúry rozšírený o 64 bitovú dátovú zbernicu s názvom Intel Pentium s frekvenciou 60MHz a 66 MHz. Začiatkom roku 1997 boli predstavené procesory Pentium s technológiou MMX. . V roku 1997 dodala procesory Pentium II vybavené vyrovnávajúcou pamäťou druhej úrovne o veľkosti 512 KB

Delenie procesorov V súčasnosti sú najväčšími dodávateľmi procesorov AMD a Intel. Procesory sa delia podľa niekoľkých kritérií: a, Podľa šírky operanda b, Podľa inštrukčnej sady c, Podľa počtu jadier d, Podľa spracovania inštrukcií

Podľa šírky opernda 4 bitové 8 bitové 16 bitové 32 bitové 64 bitové Šírka operanda určuje počet bitov s ktorými dokáže procesor vykonať jednu inštrukciu v jednom kroku. 4-16 bitové procesory sa už dnes v PC nepoužívajú, nahradili ich 32 a 64 bitové procesory. Pri prechode z 16 na 32 bitové procesory nastal veľký výkonový skok, rovnako ako predchádzajúce zdvojnásobovanie šírky operanda.

Podľa inštrukčnej sady CISC je architektúra, v ktorej sa každá inštrukcia vykonáva ako viacero operácií mikrokódu v jednom takte procesora. CISC procesory majú preto rozsiahlu sadu pomerne zložitých inštrukcií. RISC je architektúra procesorov s priamočiarym vykonávaním pomerne jednoduchých inštrukcií bez mikrokódu. Postupom času sa prišlo na to, že na vykonanie 80 % operácií je potrebných 20 % inštrukcií. Zvyšných 20 % operácií sa vykoná opakovaním inštrukcií. ZISC je technológia priemyselných čipov. ISC nemajú žiadnu inštrukčnú sadu v klasickom slova zmysle. ZISC je technológia založená na umelých neurónových sietiach. Zisk sa najviac podobá ľudskému mozgu.

Podľa počtu jadier Jednojadrové – sú to klasické procesory s jediným jadrom. Donedávna sa iné pre stolné PC ani nepoužívali. Viacjadrové - Procesor obsahuje viac ako jedno výpočtové jadro, obyčajne s vlastnými L1 aj L2. Existujú dva spôsoby, ako vyrobiť viacjadrový procesor: a) spojením viacerých jadier samostatných procesorov b) druhým spôsobom výroby je navrhnúť a vyrobiť natívne viacjadrový procesor na jednom kuse kremíka. Výhody a nevýhody : a) Výhoda je menšia cena a ľahšia výroba no nevýhodou je vyššia teplota a spotreba. b) Výhodou sú spoločne cache, menšie generované teplo a spotreba, vyšší výkon. A nevýhodou je vyššia cena.

Podľa spracovania inštrukcií Podľa spracovania inštrukcií rozdeľujeme jadrá na skalárne a superskalárne. Skalárne procesory vykonávajú inštrukcie za sebou, jednu po druhej. Naraz môžu pracovať len s jednou aplikáciou. Vďaka tejto technickej úprave môže takýto superskalárny procesor vykonať viac ako jednu inštrukciu za takt procesora. Bez superskalárnych procesorov by nemohli fungovať OS ako Windows, Linux a hocijaký iný OS pokročilejší ako DOS.

Zloženie procesora Dnešné moderné procesory sú veľmi zložité a komplexné elektronické súčiastky. Základom každého procesora je kremíková doštička. Na ňu sa špeciálnou technológiou nanášajú ostatné súčiastky z ktorých sa procesor skladá. Procesor sa skladá z: a) Jadro b) Cache c) Radič operačnej pamäte d) GPU Jadro(Core) interpretuje a vykonáva inštrukcie obsiahnuté v softvéri a vykonáva výpočty. Je zložený z ALU, FPU a RJ. ALU je centrálna časť procesora ktorá vykonáva základné a logické operácie s celými číslami ako napríklad sčítanie, odčítanie, násobenie, delenie, logický posun, negáciu a ďalšie.

Zloženie procesora RJ – Riadiaca jednotka, je to časť CPU, ktorá ovláda všetky operácie a činnosť procesora. Riadi aj komunikáciu CPU s jeho okolím a zabezpečuje rozdelovanie úloh. FPU je časť procesora, ktorá vykonáva operácie s pohyblivou desatinnou čiarkou. Procesor prakticky nevie spracovať iné ako celé čísla. Bez FPU by sme si nezahrali žiadnu 3D hru . Cache – nazývaná aj ako vyrovnávacia pamäť, je dočasná veľmi rýchla aj keď malá pamäť procesora, ktorá zabezpečuje neprerušený prísun dát na spracovanie CPU a slúži tiež ako odkladací priestor medzi jednotlivými operáciami CPU. Je tvorená veľmi rýchlym typom pamätí – SRAM, ktorý je ale náročný na výrobu a aj na počet tranzistorov procesora.

Zloženie procesora Hlavným dôvodom existencie tejto pamäte je jej rýchlosť, keďže RAM počítača je pre potreby CPU priveľmi pomalá. Cache sa v moderných procesoroch skladá zo štyroch úrovní. L1 je najrýchlejšia a najmenšia časť cache.Od jej veľkosti veľmi závisí výkon CPU, pričom čím je väčšia, tým Je nezdieľaná. L2 je o niečo pomalšia. Veľkosť tejto cache už nie je až tak kriticky dôležitá, väčšinou je nezdieľaná. L3 Cache sa nepoužíva v bežných procesoroch. Používa sa najmä v serverových a 4 a viacjadrových procesoroch L3 prejaví až vo veľmi náročných úlohách a špecifických prípadoch. Tato úroveň je zdieľaná.

Zloženie procesora V serveroch sa používa aj L4 cache, ale výroba procesora s veľkou L4 je cenovo aj technologicky náročná a tak sú tieto procesory použité iba v špičkových serveroch, alebo superpočítačoch. Radič je elektronická riadiaca jednotka, ktorá slúži na komunikovanie medzi CPU a Ram. GPU - Procesor môže obsahovať aj grafické jadro. Takéto procesory sa nepoužívajú v klasických PC, ale vo veľmi lacných počítačoch a špecializovaných zariadeniach. V súčasnosti je taký produkt OLPC notebook pre rozvojové krajiny s procesorom AMD Geode.

Ako funguje CPU ? CPU sa skladá z miliónov maličkých tranzistorov, nanesených fotografickou technológiou na kremíkový plátok. Tieto malé tranzistory dokážu len jedno: nastaviť sa do polohy 0 alebo 1 Celkovo býva v procesore niekoľko desiatok miliónov tranzistorov. Keď poklepete na ikonu počítača, stane veľa vecí. Zásadné je až to, že program je skopírovaný do operačnej pamäti. Procesor dostane informáciu, na ktorej adrese spustená aplikácia začína. Na túto adresu sa nastavia zvláštne registre, najmä instruction pointer, podľa ktorého procesor určuje, kde sa v programe nachádza. Z takto určenej adresy si procesor vyžiada niekoľko bajtov, ktoré sa zapíšu do vyrovnávacej pamäti pre ďalšie použitie a predajú sa ďalej procesoru, kde ako prvý čaká inštrukčný dekodér. Inštrukčný dekodér sa stará o to, aby procesor vedel čo má robiť a akú inštrukciu má vykonávať, aká je dlhá a aké sú jej parametre.

Ako funguje CPU ? Architektúra x86 nemá pevnú dĺžku inštrukcií. Preto až po dekódovaní inštrukcie procesor pozná, aká je dlhá a kde začína nasledujúca inštrukcia. Radič určí, kam rozkódovaná inštrukcia poputuje. Či sa o ňu bude starať ALU alebo iný blok procesoru. Zároveň sa posunie instruction pointer na ďalšiu inštrukciu v pamäti, pretože vie, kde začína. Podľa toho, o akú inštrukciu sa jedná, zaistí CPU (procesor) jej vykonanie. Zmeny sa môžu premietnuť do pamäti, alebo len do vnútorných registrov, prípadne program ovplyvňuje chovanie periférií pomocou portov. Samotná inštrukcia môže žiadať ďalšie údaje z pamäte, na ktoré sa potom čaká. Taktiež tieto sa zapisujú do vyrovnávacej pamäte, pre prípad, že by boli neskôr potrebné.

Ako funguje CPU ? Rýchlosť prevedenia tohto deja závisí od rýchlosti práce CPU. Rýchlosť (udáva sa v Hz) udáva počet operácií vykonaných za jednu sekundu. Procesor počítača je synchrónne zariadenie, ktoré pracuje podľa hodinových kmitov generovaných kryštálom a generátorom frekvencie na základnej doske. Behom jedného kmitu procesor vykoná jednu operáciu. Ak je procesor schopný pracovať s vyššou frekvenciou týchto hodinových kmitov, vykoná za jednu sekundu viac operácií, teda bude vykazovať vyšší výkon. Výkon procesora je samozrejme veľmi výrazne závislý na návrhu (architektúre) integrovaného obvodu, hustote tranzistorov a veľa ďalších vecí.

Bibliografické odkazy http://www.hardwaresecrets.com/article/209 http://referaty.atlas.sk/ostatne/informatika/20596/ http://referaty.atlas.sk/ostatne/informatika/34035 Ďakujem za pozornosť