Hardware Mikroprocesory 1. KŠPA Kladno, s. r. o., Holandská 2531, 272 01 Kladno, www.1kspa.cz Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.0292 Číslo materiálu: VY_32_INOVACE_HWD-12-04 Tematický celek (sada): Hardware Téma (název) materiálu: Mikroprocesory Předmět: Ročník / Obor studia: První a druhý/ Informační technologie Autor / datum vytvoření: Kateřina Ipserová, DiS./ 17.07.2012 Anotace: Materiál slouží k výkladu nové látky na téma: Mikroprocesory Metodický pokyn: Materiál slouží k prezentaci popřípadě samostudiu Tento výukový materiál vznikl v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost

Mikroprocesory (CPU) Dnes se předpona mikro vynechává. Jedná se o nejdůležitější součástku počítače. Mozek počítače, bez něhož není počítač schopen vykonávat žádné operace. Počítá vše, co se v počítači děje, od jednoduchého pohybu myší na pracovní ploše až po matematické výpočty. Skládá se z miliónů miniaturních tranzistorů, které jsou fotochemickou cestou „vyleptány“ na křemíkovém plátu. Tranzistory tvoří bistabilní klopné obvody, které se umí nastavit do dvou poloh – nula a jedna, vede – nevede. Některé tranzistory slouží k ukládání hodnot, jiné provádějí matematické výpočty, další logické operace. Procesor je součástka o velikosti několika cm2.

Rychlost procesoru ovlivňuje rychlost počítače (+ další parametry např Rychlost procesoru ovlivňuje rychlost počítače (+ další parametry např. velikost operační paměti, základní deskou apod.). Taktovací frekvence – udává se v GHz 3 GHz - přibližně 3 000 000 000 instrukcí/s.

Součásti procesoru Řadič - neboli řídicí jednotka, která zajišťuje řízení součinnosti jednotlivých částí procesoru dle prováděných strojových instrukcí. Sada registrů slouží pro uchování mezivýsledků. Přístup k registrům je mnohem rychlejší než přístup do operační paměti připojené k procesoru pomocí sběrnice. 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 nad daty aritmetické a logické operace.

Vlastnosti mikroprocesorů Vnitřní šířka mikroprocesorů Schopnost mikroprocesoru zpracovat najednou určité množství bitů. Čím více bitů, tím rychlejší. Rozeznáváme: Jen 32bitové (starší typy) Jen 64bitové (používá se u serverů) 32 i 64bitové (standard desktopových počítačů) Tabulka dvojkových jednotek, jimž se šířka CPU popisuje Jednotka definice 1 bit 1 nebo 0 1 bajt 8 bitů 1 slovo (word) 16 bitů, 2 bajty 1 dvojslovo (double – word) 32 bitů, 2 slova

Instrukční sada Jádrem procesoru je logický obvod, který zpracovává jednoduché instrukce. Abychom nemusely psát program v těchto mikroinstrukcích, obsahuje procesor instrukční sadu. Rozlišujeme dvě základní koncepce procesorů: CISC (Complete Instruction Set Computer) - daný procesor obsahuje úplnou instrukční sadu. RISC (Reduced Instruction Set Computer) – obsahuje jen základní instrukce. To znamená, že 80% úkonů stačí 20% instrukcí Procesor RISC vykoná jednu instrukci mnohem rychleji než CISC. Je tedy mnohem jednodušší, a proto levnější. Dodnes převládá u osobních počítačů CISC (hlavně Intel a AMD), ale u nejnovějších procesorů se už ve velké míře používají prvky RISC. Typy procesorů RISC používají procesory Power PC (Apple, IBM). Jejich cena je vyšší. Sada musí obsahovat instrukce pro přesun dat mezi pamětí a registrem, logické a aritmetické instrukce, instrukce pro řízení programu a několik systémových instrukcí.

Registr Procesor pracuje s daty a s instrukcemi, které jsou uloženy v paměti umístěné mimo procesor. Data, která zpracovává aktuálně, si musí uložit do své vnitřní paměti, do registru. Počet registrů se u jednotlivých procesorů liší. Registry se obecně používají jako část procesoru, řadičů a řadících jednotek vstupních a výstupních zařízení. Rychlost výměny informací musí být v souladu s pracovním kmitočtem uvedených zařízení.

Systém přerušení IRQ Jedná se o signál, který k mikroprocesoru vyšle některé hardwarové zařízení nebo program. HW komponenta se snaží zabrat mikroprocesor pro sebe (např. stisk klávesy na klávesnici). Vektorový systém přerušení – každé přerušení je identifikováno svým čísle. V operační paměti je uložena tabulka vektorů přerušení. Před přerušením uloží mikroprocesor svůj momentální stav do speciálního registru – zásobníku. Mikroprocesor musí obsahovat i mechanismus, kterým přerušení dočasně zakáže.

Správa paměti Nachází se mezi adresami generovanými programem a skutečnými adresami v operačním systému. Jednotka mění adresy tak, jak to momentálně vypadá nejvýhodněji pro OS. Hlavním důvodem pro překlad adres je lepší využití operační paměti. Zabezpečení ochrany paměti. Jednotka správy paměti musí zabránit každému programu v narušení činnosti ostatních programů nebo samotného operačního systému.

Pamět cache Jedná se o tzv. vyrovnávací paměť. Mezisklad dat mezi různě rychlými komponentami počítače. Účelem je vzájemné přizpůsobení rychlostí – rychlejší komponenta čte data z paměti cache a nemusí čekat na komponentu pomalejší. Do všech mikroprocesorů jsou integrovány malé paměti cache první úrovně, označené jako First Level Cache L1. (Slouží k zásobování jednotek mikroprocesoru daty ze sběrnice). L2 – pro zrychlení přednosu dat mezi mikroprocesorem a operační paměti L3 – některé nejvýkonnější typy Pentií 4

Tepelná ochrana Mikroprocesory jsou velkými tepelnými zdroji. Při špatném chlazení by se mohly přehrát a zničit. Tepelná ochrana zabrání přehřátí procesoru. Mikroprocesory Intel Tepelný monitor - je založena na obvodu TCC. Základem je tepelné čidlo vsazené uvnitř procesoru. Senzor sleduje teplotu procesoru, a pokud dosáhne limitní hodnoty aktivuje se TCC. Vkládá mezi pracovní kmitočet nulový cyklus). V mikroprocesoru Intel je vložena dioda, které pouze měří teplotu procesoru. Enhanced Intel SpeedStep Technology – procesor za běhu dynamicky měří napětí a taktovací frekvenci. Výsledkem je tišší chod ventilátoru (na plný výkon pracuje pouze někdy) a měří spotřebu energie. Intelligent power capability – inteligentní řízení spotřeby. Dřívější technologie SpeedStep je doplněna o funkci, která napájí jednotlivé logické subsystémy pouze v případě jejich použití.

Mikroprocesory AMD Cool’n Quiet – pracuje podobně jako technologie SpeedStep Intel – v závislosti na zátěži mikroprocesoru mění jeho frekvenci a napájecí napětí. Neslouží jen pro tepelnou ochranu, ale i snižuje spotřebu, tepelný výkon a hluk v době kdy mikroprocesor nepracuje na plný výkon.

Určuje hustotu polovodičových prvků procesoru. Technologie výroby Křemíková destička Určuje hustotu polovodičových prvků procesoru. Snížení spotřeby energie, což umožňuje zvýšení frekvence. Hustota polovodičových prvků

Virtualizační technologie Umožňuje provozovat v hostitelském operačním systému tzv. virtuální stroje. Na hardwaru jednoho počítače můžeme provozovat několik virtuálních počítačů a v každém z nich jiný operační systém. Použití: Testování a ladění programů (není nutné instalovat testovací verze operačního systému) Prezentace a výuka (na jednom počítači předvádění několika operačních systému zároveň) Simulace provozních stavů Konsolidace serverů Virtualizace je prováděna softwarově, speciálním programem (Virtual PC, Virtual Box).

Vnitřní frekvence (takt) Taktovací impuls, který určuje pracovní tempo. Mezi externí (systémovou) sběrnicí a mikroprocesorem pracuje tzv. násobič (multiplikátor), který převádí pomalejší externí takt na vyšší interní frekvenci mikroprocesoru. Poměr obou frekvencí je pevně daný a měnit je lze jen u některých desek. Násobič – (definuje poměr mezi vnitřní a vnější frekvencí) je součástí mikroprocesoru. Pokud vsadíme nový procesor nastaví se správný poměr frekvence automaticky.

Vnější (externí) frekvence Frekvence generovaná základní deskou, v jejíž rytmu pracují všechny součástky na desce. Mikroprocesor si z ní prostřednictvím násobiče „vyrobí“ svůj vlastní kmitočet. Příklad: Vnitřní frekvence CPU je 3,2 GHz Základní deska pracuje s kmitočtem 200 MHz Násobič musí vyrobit z vnější frekvence 200 MHz frekvenci vnitřní 3200 MHz. Znásobí tedy vnější frekvenci 16x.

Nastavení frekvence Frekvence FSB je základním parametrem, která se nedá měnit. Mnoho základní desek dovoluje změny frekvencí o několik procent. Přetaktování PC zvýší rychlost všech komponent. Několika procentní zvýšení výkonu znamená větší tepelnou námahu součástek a riskujeme jejich přehřátí a zničení. Informace o frekvenci získáme v Setupu. Řádky: CUP Clock Ratio – ukazuje hodnotu násobičky CUP Clock – ukazuje frekvenci FSB. Pokud ji deska umožňuje měnit, po klepnutí na Enter můžeme zadat novou hodnotu frekvence. FSB (Front Side Bus) nebo System Bus je fyzická obousměrná datová sběrnice.

Zvyšování pracovní frekvence není možné do nekonečna. Počet jader Zvyšování pracovní frekvence není možné do nekonečna. Zvýšení výkonu více jádry. Procesor pracuje ve stejné patici, ale uvnitř procesoru je integrováno více jader.

Chlazení mikroprocesorů Aktivní – žebra, teplovodivá past. Vyrobeno z mědi Pasivní - větráček nebo turbína. Napájen konektorem ze základní desky Snižováním napájecího napětí se teplota redukuje také instalací chladičů. Vodní chlazení – jedná se o uzavřenou soustavu, ve které probíhá chladící médium (destilovaná voda). Muže být i expanzní nádoba, ve které lze kontrolovat a doplňovat vodu. Voda může být i obarvena .

Chlazení mikroprocesorů Složení chladiče: Chladící žebra (nejlepší materiálem je měď) Ventilátor (proud vzduchu odvádí teplo od žeber) Senzor (měří teplotu mikroprocesoru) Deska ATX – v bočnici skříně otvor pro výfuk teplého vzduchu. Otvor je s chladičem spojen vzduchovodem. Deska BTX – Termální modul - ventilátor chladiče je zasazen na přední část modulu ( umístněn na čelní straně). Heatpipe – technologie, kterou používají špičkové chladiče = tepelná trubice. Zajišťuje rychlý odvod tepla. Při manipulaci s mikroprocesorem musíme vždy sejmout chladič.

Patice mikroprocesorů (Socket) Slot – CPU byl součástí pouzdra. Podobné rozšiřujícím kartám Je součástí základní desky, spojující desku s procesorem. Z typu patice okamžitě poznáme, pro jaké mikroprocesory je základní deska určena. Dnes na základní desce nalezneme speciální konektor, do níž se procesor zasune. Patice má na boku páčky, jejímž zvednutím se procesor uvolní a může se vyjmout. Jejím stlačením se procesor v patici upevní. Slot pro procesory Intel

Architektura procesorů Schopnost procesoru zpracovávat posloupnost instrukcí Sekvenční – starší typ Zpracování instrukcí za sebou (jedna po druhé) Superskalární Zpracovává několik instrukcí najednou Pipeling – rozpracování a řetězení instrukcí, aby CPU nečekal na dodání data z RAM Hyper-threading (HT) Fyzický procesor se chová jako dva logické Dva souběžné výpočty sdílejí cache – nárůst výkonu max. 30%

Použité zdroje HORÁK, Jaroslav. Hardware učebnice pro pokročilé. Brno: Computer Press, a.s., 2007, ISBN 978-80-251-1741-5. Pokud není uvedena citace, jsou obrázky vlastní tvorby Materiály jsou určeny pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízení. Jakékoli další využití podléhá autorskému zákonu.