Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Procesory rozdělení, vývoj a generace procesorů základní parametry procesorů konstrukce procesorů, patice OB21-OP-EL-KONP-JANC-M-3-006

Rozdělení procesorů Podle délky slova Podle instrukční sady CISC RISC 8-bitové 16-bitové 32-bitové 64-bitové procesorové řezy Podle instrukční sady CISC plná instrukční sada INTEL, AMD RISC redukovaná inštrukční sada powerPC, Sparc, PA-RISC mikrořadiče tzv. jednočipové procesory používané v jednoúčelových aplikácích INTEL, Motorola, Atmel, Mikrochip, ...

Vývoj procesorů 1. generace 2. generace 3. generace 4. generace INTEL i4004 (1971) – 4-bit., 1. procesor INTEL i8008 (1973) – 8-bit. 2. generace INTEL i8080 (1974) – 8-bit., dlouhodobý standard analógie Z80, MC6800 3. generace INTEL i8086, i8088 (1978) – 16-bit., na jeho základě postavené první IBM PC, později PC XT INTEL i80286 (1981) – 16-bit., na jeho základe postavené prvé IBM PC AT 4. generace INTEL i80386 (1985) – 32-bit. INTEL i80486 (1989) – 32-bit., zabudovaný matematický koprocesor

Vývoj procesorů 5. generace 6. generace 7. generace 8. generace INTEL Pentium (1993) – 64-bit., 60 – 66 MHz INTEL Pentium (1994) – 64-bit., 75 – 200 MHz INTEL Pentium MMX (1997) – 64-bit., 166 – 233 MHz analogie AMD K5 6. generace INTEL Pentium Pro (1995) – 64-bit., 150 – 200 MHz INTEL Pentium II (1997) – 64-bit., 266 – 450 MHz varianty INTEL Pentium II Xeon a Celeron INTEL Pentium III (1999) – 64-bit., 450 MHz – 1,4 GHz varianty INTEL Pentium III Xeon a Celeron analógie AMD K6, Athlon, Duron, Cyrix 6x86 7. generace INTEL Pentium 4 (2000) – 64-bit., 1,3– 3,2 GHz 8. generace INTEL Itanium a Itanium 2 (2001)

Základní parametry procesorů šířka datové sběrnice 8 – 64 bitová šířka adresní sběrnice až 44 bitová určuje nám velikost adresovacího prostoru (max. velikost RAM) šířka vnitřní datové sběrnice 32 anebo 64 bitová určuje nám natívní operační systém (32 alebo 64 bitový) režimy práce procesoru reálný, chráněný alebo virtuální rychlost procesoru paměť cache interní L1, L2 nebo L3

Konstrukce procesorů vnitřní konstrukce vnější konstrukce jednotlivé funkční bloky řídící jednotka procesoru ALU – pro práci s celými čísly FPU – pro práci s desetinnými čísly řízení sběrnic interní L1 cache – pro data a pro kód L2 cache vnější konstrukce patice procesoru chlazení procesoru

Patice procesorů patice typu ZIF (vložení bez síly) patice Socket 1, 2, 3 a 6 pro procesory 486 pouzdro PGA patice Socket 4, 5, 7 a 8 pro procesory Pentium a Pentium Pro pouzdro PGA nebo SPGA slot 1, slot 2, slot A pro procesory Pentium II Xeon a Pentium III Xeon pro procesory Pentium II, Pentium III a Celeron SECC pro procesor AMD Athlon SECC procesor a cache na samostatné desce, vložené do konektoru

Patice procesorů patice Socket 370 patice Socket 423 patice Socket 478 hlavně pro procesory Pentium III a Celerony s jadrom PIII pouzdro PGA alebo FC-PGA patice Socket 423 pro procesory Pentium 4 speciálně upevňovaný chladič (na skříň PC) patice Socket 478 pro nové procesory Pentium 4 v pouzdře FC-PGA2 odpadají problémy s upevněním chladiče patice Socket LGA 775, až Socket LGA 1156 pro novější typy procesorů INTEL bezvývodové procesory

Chlazení procesorů chladiče způsob chlazení vlivy chlazení aktivní pasivní způsob chlazení vzduchem kapalinou vlivy chlazení spolehlivost provozu hlučnost – volba ložisek, otáček

Procesor (CPU – Central Processing Unit) Procesor (CPU – Central Processing Unit) je základní součástí počítače. Někdy bývá také přirovnáván k "srdci" nebo "mozku" počítače. Procesor čte z paměti instrukce a na jejich základě vykonává program. Protože procesor, který by vykonával program zapsaný v nějakém vyšším programovacím jazyku by byl příliš složitý, má každý procesor svůj vlastní jazyk - tzv. strojový kód, který se podle typu procesoru skládá z jednodušších nebo složitějších instrukcí. Instrukce je v počítačové terminologii specifikace elementární akce (operace) prováděné počítačem pomocí procesoru, je základní jednotkou strojového kódu. Každý typ procesoru má vlastní sadu instrukcí, kterou je schopen přímo vykonávat.

Procesor (CPU – Central Processing Unit) Pod pojmem procesor se dnes téměř vždy skrývá elektronický integrovaný obvod. Z pravidla se nachází na základní desce počítače. Rodina procesorů, které zpracovávají stejný strojový kód tvoří specifickou architekturu procesoru. Procesory prvních počítačů se skládaly z obvodů obsahujících množství elektronek nebo tranzistorů, rezistorů a kondenzátorů. Takový procesor obvykle zabíral velkou skříň, nebo i několik skříní. Teprve počátkem 70. let 20. století se s nástupem integrovaných obvodů začaly procesory miniaturizovat. Když podařilo umístit základní obvody procesoru do jednoho integrovaného obvodu, vznikl mikroprocesor.

Součásti procesoru Řadič nebo řídicí jednotka, jejíž jádro zajišťuje řízení činnosti procesoru v návaznosti na povely programu, tj. načítání instrukcí, jejich dekódování (zjištění typu instrukce), načítání operandů instrukcí z operační paměti a ukládání výsledků zpracování instrukcí. Sada registrů (v řadiči) k uchování operandů a mezivýsledků. Přístup k registrům je mnohem rychlejší než přístup do rozsáhlých pamětí umístěných na externí sběrnici. Registry dělíme na obecné (pracovní, universální) a řídící (např. čítač instrukcí, stavové registry). Bitová šířka pracovních registrů je jednou ze základních charakteristik procesoru. Jedna nebo více aritmeticko logických jednotek (ALU - Arithmetic-Logic Unit), které provádí s daty příslušné aritmetické a logické operace. Některé procesory obsahují jednu nebo několik jednotek plovoucí čárky (FPU), které provádí operace v plovoucí řádové čárce.

Součásti procesoru Současné procesory obsahují mnoho dalších funkčních bloků jako třeba paměť cache a různých periferií, které z ortodoxního hlediska nejsou součástí procesoru. Proto vzniknul pojem „jádro procesoru“, aby bylo možné rozlišit mezi vlastním procesorem a integrovanými periferními obvody. Některé současné procesory obsahují „více jader“. Vícejádrový procesor je tedy integrovaný obvod obsahující několik jader procesorů, logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení (a případně ještě další jednotky).

Dělení procesorů podle délky operandu v bitech Základním ukazatelem procesoru je počet bitů, tj. šířka operandu, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. Zjednodušeně se dá říci, že např. 8bitový procesor umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, 16bitový s čísly od 0 do 65535 (tj. 0 až 216-1), atd. Větší čísla se pak v procesoru zpracovávají postupně v několika krocích. Pro velmi jednoduché aplikace se používají 4bitové nebo osmibitové procesory. To platí například pro zabudované (embedded) systémy např. v mikrovlnných troubách, kalkulačkách, počítačových klávesnicích a infračervených dálkových ovládání. Pro středně složité aplikace, jako jsou programovatelné automaty, mobilní telefony, PDA nebo přenosné videohry se používají zpravidla 8bitové nebo 16bitové procesory.

Dělení procesorů podle délky operandu v bitech Současné osobní počítače již většinou obsahují vícejádrové 64bitové procesory, starší osobní počítače, laserové tiskárny a jiné náročné periferie často obsahují 32bitové procesory. Protože zvyšování frekvence a rozšiřování počtu bitů je spojeno s řadou problémů, jde vývoj směrem k vícejádrovým procesorům.

Dělení podle struktury procesoru Podle vnitřní architektury Procesory RISC s menším počtem instrukcí a CISC s velkým počtem intrukcí. Nedostatkem architektury RISC je větší spotřeba paměti pro program. Procesory založené na architektuře CISC potřebují zase více času pro zpracování instrukce. Současné procesory Intel a kompatibilní obcházejí nedostatky typu CISC tím, že vnitřně používají pro interpretaci strojového kódu architekturu RISC, čímž za cenu zesložitění procesoru dochází ke spojení výhod obou architektur. Procesory RISC jsou velmi úspěšné např. v mobilních telefonech, nebo v superpočítačích, protože jednodušší architektura se projevuje nižší spotřebou energie.

Dělení podle počtu jader V současnosti jde vývoj směrem k integraci více jader, tedy více procesorů do jediného čipu. Tento trend můžeme pozorovat u procesorů pro osobní počítače. Procesory se tedy dělí na: jednojádrové vícejádrové Zvyšování počtu jader je v podstatě vynuceno fyzikálními omezeními. Ukazuje se, že integrací většího počtu jednodušších jader je teoreticky možné dosáhnout při stejné výrobní technologii na stejné ploše křemíku mnohem vyšší výpočetní výkon, než použitím jediného složitého jádra.

Základní parametry procesoru

Rychlost procesoru Rychlost procesorů je závislá hlavně od: Frekvence procesoru: Elektronické obvody tvořící procesor pracují v jednotlivých taktech, které udávají jejich pracovní tempo. Čím je frekvence procesoru vyšší, tím rychleji pracuje,(ale se taky zahříva) udává se MHz nebo GHz(1 GHz=1000 MHz). Frekvenci rozlišujeme: vnitřní – frekvence procesoru vnější – frekvence periferních modulů a čipových sad na základní desce (bývá vždy nižší jako vnitřní) a rychlost práce pro zběrnici.

Rychlost procesoru Vnitřní (interní) frekvence je vždy násobkem vnější. Základní deska totiž obsahuje jen jeden časový obvod, který generuje obě frekvence. A v podstatě určuje kolikrát za časový interval možno změnit stav logická 1 na 0 a obráceně. Vnější (externí) frekvence představuje frekvenci, kterou komunikuje procesor s okolními zařízeními prostřednictvím FSB (je teda frekvencí samotné FSB).

Rychlost procesoru Efektivita mikrokódu: Jde o efektivitu, se kterou jsou napsané jednotlivé mikroprogramy provádějící jednotlivé instrukce procesoru. Jednoduše řečeno, je to počet kroků potřebných na vykonání jedné instrukce. Chip se navrhne tak, aby lépe využíval každý hodinový cyklus (t.j. každý "tik hodin" procesoru). Příklad: Procesory 386 a 486. 386 vykoná přesun obsahu jednoho registru do druhého za 2 hodinové cykly. 486-tce stačí jeden.

Rychlost procesoru Paralelní spracování instrukcí, dat: CPU postavená na této báze se nazývá superskalární CPU. S touto metodou se 1. krát setkáváme při návrhu procesoru Pentium. Doposud všechny počítače až do rady 486 měli jen 1 instrukční kanál, tj. mohly vykonávat v daném momentě jen jednu jedinou operaci. V Pentiu jsou dva instrukční kanály. Pentium tyto kanály používá automaticky.

Rychlost procesoru Příklad: Mějme následující 3 příkazy. A=3, B=2, C=A+B. První 2 příkazy jsou nezávislé. První příkaz může jít jedním kanálem , 2. druhým. Po ukončení obou příkazů se může provést poslední. Uvažujme však jiný příklad: A=1, A=A+2 Druhý příkaz se nedá provést pokud není provedený první příkaz. Pentium bude nucené čekat na skončení 1.příkazu. Teda celý výpočet musí jít skrz 1 kanál. Druhý zůstává nevyužitý. Proto se střetáváme s programy, které jsou přímo optimalizované na Pentium. T.j instrukce těchto programů jsou uspořádané tak, aby Pentium mohlo využívat oba kanály. Samozřejmě programy určené pro Pentium poběží taky na 486 či 386, ale poběží pomaleji, protože tyto procesory mají jenom 1 kanál.

Rychlost procesoru Interní paměť cache : Operační paměť díky vysoké přístupové době zdaleka nestačí procesorům a tak je nutné některé výsledky dočasně uchovávat v tzv. interní paměti cache (L1 cache), která je součástí procesoru. Slouží na zkrácení přístupové doby k operační paměti počítače a zefektivnění jeho práce. Po prvé se tato paměť objevila u procesoru Intel 80486, byla společná pro data i instrukce a měla velikost 8 KB. Později při procesoru Intel Pentium měla paměť L1 cache již velikost 16 KB, z toho 8 KB pro data a 8 KB pro instrukce. V Pentiích se data v cache udržují co nejdelší možnou dobu. Až pak se zapíší, protože kdyby CPU potřebovala data, se kterými nedávno pracovala, je rychlejší si je vyzvednout z cache paměti než z RAM nebo z disku.

Dnešní procesory osobních počítačů Dnešní osobní počítače používají až na výjimky v řádu procent procesory architektury x86 výrobců AMD a Intel. Dlouhou dobu byly procesory obou značek v osobních počítačích záměnné (podobně i dalších značek, jako byl například Cyrix nebo IDT), protože se osazovaly do identických patic, označovaných též jako sockety. V roce 1997 ale společnost Intel začala vyvíjet novou patici nazvanou Slot 1 a vývoj procesorů obou nejvýznamnějších výrobců se od té doby ubíral odlišně. Dnešní procesory se proto obvykle dělí podle patic, přičemž doba trvání výroby těchto řad je stále kratší.

Dnešní procesory osobních počítačů V současnosti nejnovější výkonný desktopový procesor Intel Core i7 900 Extreme

Dnešní procesory osobních počítačů Nejnovější desktopový procesor AMD Phenom

Dnešní procesory osobních počítačů Patice se označují často podle počtu pinů nebo kódovým označením, dnes jsou na trhu například:

Předchozí modely procesorů AMD, zleva Athlon XP, Athlon 64, Athlon 64X2

Předchozí modely procesorů AMD, zleva Athlon XP, Athlon 64, Athlon 64X2

Dnešní procesory osobních počítačů Integrovaný řadič operační paměti má dnes všechny procesory AMD (Socket 754, Socket 939, Socket 940, Socket AM2, Socket AM2+, Socket AM3) a nová rodina procesorů Intel Core i7. Nejvíce zákazníky sledovaným parametrem je frekvence procesoru, která je významným faktorem jeho výkonu. Vzhledem k odlišné konstrukci výpočetních jednotek procesorů a vnitřní paměti se obtížně porovnávají výkony konkurenčních procesorů AMD a Intel podle jejich frekvence. Navíc v současné době vyrábějí oba největší výrobci jedno-dvou i čtyřjádrové(AMD i tříjádrové) procesory s poměrně velkým rozpětím frekvence.

Dnešní procesory osobních počítačů Procesor Intel Core 2 Duo a řez tímto procesorem

Dnešní procesory osobních počítačů Zleva Intel Atom, Intel Core 2 Extreme Quad Core a dnes již zastaralý Intel Pentium MMX

Dnešní procesory osobních počítačů Důležitým faktorem celkového výkonu procesoru je tedy nyní i velikost vyrovnávací paměti procesoru, která se označuje cache. Ta bývá několikaúrovňová, cache s nejrychlejším přístupem má nyní velikost 32-128 kB na jádro (Level 1 cache), další úroveň má nyní 256kb-8MB na jádro (Level 2 cache), Intel má sdílenou L2 cache, AMD zase oddělenou pro každé jádro. Nakonec L3 cache má velikost 2-6MB. Na výkon procesoru má vliv i frekvence sběrnice (Front Side Bus), kterou komunikuje procesor se zbytkem počítače prostřednictvím tak zvaného chipsetu. AMD místo Front Side Bus používá Hyper Transport a Intel u nových CPU Core i7 přešel na QuickPath. Výrobci nabízejí své prakticky identické procesory v různých typových řadách s různou dostupnou velikostí Level 2 cache a i různou frekvencí FSB.

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura http://cs.wikipedia.org/wiki/Procesor M. Antošová, V. Davídek: Číslicová technika, KOPP České Budějovice 2008