Procesor (CPU – Central Processing Unit) Procesor (CPU – Central Processing Unit) je ústřední výkonnou jednotkou počítače, která čte z paměti instrukce.

Prezentace na téma: "Procesor (CPU – Central Processing Unit) Procesor (CPU – Central Processing Unit) je ústřední výkonnou jednotkou počítače, která čte z paměti instrukce."— Transkript prezentace:

1

2 Procesor (CPU – Central Processing Unit) Procesor (CPU – Central Processing Unit) je ústřední výkonnou jednotkou počítače, která čte z paměti instrukce a na jejich základě vykonává program. Pokud bychom přirovnali počítač např. k automobilu, postavení procesoru by odpovídalo motoru. 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. Pod pojmem procesor se dnes téměř vždy skrývá elektronický integrovaný obvod, i když na samých počátcích počítačové éry byly realizovány procesory i elektromechanicky. Původní procesory počítačů byly sestaveny z diskrétních součástek (elektronek, později tranzistorů, doplněné rezistory a kondenzátory). Velikost takového procesoru odpovídala obvykle jedné velké skříni. Teprve počátkem 70. let 20. století se s nástupem integrovaných obvodů začaly procesory miniaturizovat. Nejprve byly procesory stavěny z procesorových řezů, (procesor byl pak složen z několika desítek jednodušších integrovaných obvodů). Když došlo k integraci procesoru do jediného čipu, vzniknul mikroprocesor.

3 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. Řadič obsahuje celou řadu rychlých pracovních pamětí malé kapacity, tzv. registrů, které slouží k jeho činnosti. Registry dělíme na obecné (pracovní, universální)a řídící (např. registr adres instrukcí, stavové registry, indexregistry). Velikost 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 Je třeba poznamenat, že současné čipy zpravidla obsahují mnoho dalších rozsáhlých 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. Pro správnost je třeba dodat, že integrované periferie bývají většinou velmi dobře sladěny s jádrem, takže je z tohoto lze chápat jako „součást procesoru“. Vzhledem k současné vysoké integraci tak mnohde dochází k rozmazávání hranice mezi pojmem mikroprocesor a mikropočítač. Některé současné procesory obsahují „více jader“. Vícejádrový procesor je tedy integrovaný obvod obsahující několik jader procesorů a logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení (a další jednotky). Dalším současným trendem je tzv. „systém na čipu“ (SoC - system on chip). Jde o integrované obvody, které obsahují kromě vlastního procesoru i další subsystémy pro zpracování grafiky, zvuku či připojení periférií (ty jsou v osobních počítačích obvykle v tzv. chipsetech nebo na samostatných kartách). Takovéto SoC se používají v PDA, herních konzolích, thin-clientech, domácí elektronice, ale i v mobilních telefonech. Nejmodernějším trendem je kombinace procesorů s programovatelnými hradlovými poli, která vede k maximální pružnosti při přizpůsobení se dané aplikaci. Rodina procesorů, která vychází ze stejného jádra nebo zpracovává stejný strojový kód, tvoří specifickou architekturu procesoru.

4 Dělení procesorů Jak už jsme zmínili, když to velmi zjednodušíme procesor zastává v počítači podobonou úlohu jako motor v automobilu. Podobně jako se liší motor v motorce, miniautomobilu, automobilu vyšší třídy nebo v těžkém nákladním autě nebo v lodi se pro různé aplikace používají růzené druhy procesorů. Dělení 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. osmibitový procesor umí počítat s čísly od 0 do 255, 16bitový s čísly od 0 do 65535 atd. Pro velmi jednoduché aplikace se používají čtyřbitové 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 osmibitové nebo šestnáctibitové procesory. Osobní počítače a laserové tiskárny obsahují 32bitové procesory, přičemž u osobních počítačů dnes dochází k přechodu na 64bitové procesory. Nyní jsme svědky rozmachu vícejádrových procesorů, protože zvyšování frekvence je spojeno s řadou problémů a další prostý přechod na vyšší počet bitů z hlediska aplikací není tak významný skok, jako tomu bylo u přechodu z 16 na 32 bitů

5 Dělení podle struktury procesoru Procesor určený do osobního počítače nebo serveru. Jedná se zpravidla o velmi rychlé procesory s rozsáhlou instrukční sadou, jednotkou pro ochranu a mapování paměti, jednotkou pro výpočty v plovoucí řádové čárce a rozsáhlou pamětí cache. Základním požadavkem na procesory tohoto typu je jednotka pro ochranu a mapování paměti, aby umožňovaly chod víceúlohových víceuživatelských operačních systémů jako Unix, Linux nebo Window NT, 2000, XP, …. Prvními masově vyráběnými procesory, které by bylo možné zařadit do této kategorie, byly procesory řady Motorola 68000 a procesory řady Intel 80x86. Jednočipový mikropočítač nebo také mikrokontrolér (MCU) bývá procesor s univerzálním jádrem, s kterým jsou současně zaintegrovány základní periferní obvody, takže je schopen samostatné funkce. Za průkopníky v této kategorii můžeme považovat 8bitový procesor Intel i8051, který poprvé integroval všechny základní periferie (jádro procesoru, paměť RAM, EEPROM, čítače a časovače) na jediném čipu a 16bitový technologický procesor Siemens SAB 80C166, který poprvé integroval A/D převodníky, komunikační linky a masivní systém čítačů/časovačů/přerušení (následníky řady 80166 dnes vyrábí Infineon (řada C167 a C166 SV2) a SGS Thomson (řada ST10)). DSP neboli digitální signálový procesor je procesor zaměřený na zpracování signálu. DSP jsou optimalizovány na co nejrychlejší opakování jednoduchých matematických algoritmů zaměřených na zpracování signálu. Typickou aplikací DSP je filtrace signálu pomocí filtrů FIR a IIR nebo Fourierova analýza. DSP se dnes používají především ve spotřební elektronice a v telekomunikační technice. Současné DSP obsahují proti svým předchůdcům navíc také rychlé komunikační linky, aby bylo možné přenášet velký datový tok protékající těmito procesory. Často můžeme rovněž pozorovat snahu o spojení výhod DSP a jednočipových mikropočítačů ať už je to cestou rozšiřování DSP o periferie nebo rozšiřováním mikrokontrolérů o DSP jednotky.

6 Rychlost procesoru Zásadním parametrem, který je procesoru důležitý je frekvence práce jeho jádra. Zdánlivě jde o banální záležitost, protože stačí spočítat kolik milionů či miliard instrukcí je procesor schopen vykonat za sekundu, tj. počet MIPS. Ovšem z praktického hlediska je počet MIPS např. u osmibitového procesoru PIC a u procesoru Intel Pentium zcela nesrovnatelnou veličinou, protože instrukční sady těchto procesorů jsou zásadně odlišné a na výpočet v plovoucí čárce, který udělá Pentium v jediném taktu může PIC potřebovat několik tisíc operací, zatímco jednoduché bitové operace zvládnou oba procesory v několika taktech. Zdálo by se, že tedy alespoň srovnání výkonu v rámci jedné řady procesorů je snadné, ale není tomu vždy tak. Moderní procesory jsou totiž podstatně rychlejší než externí operační paměť, takže reálný výkon značně závisí také na rychlosti a šířce externí paměti a na velikosti a uspořádání vyrovnávacích pamětí cache uvnitř procesoru. V této souvislosti je vhodné rovněž připomenout že celkový výkon systému je určen výkonem procesoru pouze z jedné části. Rychlost je vždy určena úzkým místem v systému. Pokud je např. malá operační paměť, takže operační systém se ji pokusí nahradit odkládáním na řádově pomalejší pevný disk, tak bude prostě na některé nutné aplikace čekat. Je to asi jako když potřebujete něco převézt s malým kufrem v autě. Rovněž vhodně navržená struktura periferií může výrazně odlehčit zátěž procesoru.

7 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 nejvýznamějších výrobců se od té doby ubíral odlišně. Dnešní procesory se proto obvykle dělí podle patic, přičemž doba trvání výroby těchto řad je stále kratší. Patice se označují často podle počtu pinů nebo kódovým označením, dnes jsou na trhu například: Socket 462 (Socket A, AMD Athlon, Duron, výběhový) Socket 478 (Intel Pentium III, Pentium 4 (Northwood), Celeron Pentium 4, výběhový) Socket 479 (Intel, původně pro mobily, výběhový)

8 Socket 604 (Intel pro servery, výběhový) Socket 754 (AMD, výběhový) Socket 771 (Intel pro servery) Socket 775 (Intel) Socket 939 (AMD, výběhový) Socket 940 (AMD pro servery, výběhový)

9 Socket AM2 (AMD) Socket F (AMD pro servery) Nové procesory AMD mají do vlastního procesoru integrován řadič operační paměti, proto mají větší počet pinů. 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- i dvoujádrové procesory s poměrně velkým rozpětím frekvence. 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 32-64 kB na jádro (Level 1 cache), další úroveň má nyní 256-2048 kB na jádro (Level 2 cache), u nejmodernějších procesorů je Level 2 cache pro obě jádra společná. Na výkon procesoru má vliv i frekvence sběrnice (Front Side Bus), kterou komunikuje procesor se zbytkem počítače prostřednictvím tak zvaného chipsetu. Výrobci nabízejí své prakticky identické procesory v různých typových řadách s různou dostupnou velikostí Level 2 cache a i různou frekvencí FSB.

10 Významné architektury procesorů Architektury mikropočítačů a osobních počítačů Intel: x86Intel: x86 AMD: x86-64AMD: x86-64 Motorola: 6800, 6809 a 68000Motorola: 6800, 6809 a 68000 MOS Technology 6502MOS Technology 6502 Zilog Z80Zilog Z80 IBM a později AIM alliance: PowerPCIBM a později AIM alliance: PowerPC Architektury mikročipů PowerPC 440 firmy IBMPowerPC 440 firmy IBM 80518051 Atmel AVRAtmel AVR PIC firmy MicrochipPIC firmy Microchip ARMARM

11 Architektury procesorů pracovních stanic a serverů SPARC firmy Sun MicrosystemsSPARC firmy Sun Microsystems POWER firmy IBMPOWER firmy IBM Architektura MIPS od MIPS Computer Systems Inc. a její instrukční sada je nosnou částí knihy Davida A. Pattersona a Johna L. Hennessyho Computer Organization and Design ISBN 1-55860-428-6 1998 (2. vydání)Architektura MIPS od MIPS Computer Systems Inc. a její instrukční sada je nosnou částí knihy Davida A. Pattersona a Johna L. Hennessyho Computer Organization and Design ISBN 1-55860-428-6 1998 (2. vydání) PA-RISC od HPPA-RISC od HP Alpha od DECAlpha od DEC Advanced RISC Machines (původně Acorn) architektury ARM a StrongARM/XScaleAdvanced RISC Machines (původně Acorn) architektury ARM a StrongARM/XScale Procesor LEON2Procesor LEON2 Malé/střední/velké architektury procesorů System/360 od IBMSystem/360 od IBM PDP-11 od DEC a jeho následníci, architektura VAXPDP-11 od DEC a jeho následníci, architektura VAX SuperH od SuperHSuperH od SuperH UNIVAC série 1100/2200 (momentálně používaná v počítačích ClearPath IX od Unisysu)UNIVAC série 1100/2200 (momentálně používaná v počítačích ClearPath IX od Unisysu) AP-101 – počítač raketoplánuAP-101 – počítač raketoplánu

12 Nadcházející architektury procesorů Cell od IBM (Sony/IBM/Toshiba)

13 Historicky významné procesory EDSAC – první praktický počítač s uloženým programemEDSAC – první praktický počítač s uloženým programem Navigační počítač Apollo použitý při letech na měsícNavigační počítač Apollo použitý při letech na měsíc MIPS R4000 – první 64-bitový mikroprocesorMIPS R4000 – první 64-bitový mikroprocesor Intel 4004 – první mikroprocesorIntel 4004 – první mikroprocesor

14 Historie mikroprocesorů 1971 - Intel 4004 - první mikroprocesor - čtyřbitový1971 - Intel 4004 - první mikroprocesor - čtyřbitový 1972 - Intel 8008 - osmibitový mikroprocesor1972 - Intel 8008 - osmibitový mikroprocesor 1974 - Intel 8080 - osmibitový mikroprocesor, který se stal základem prvních osmibitových osobních počítačů1974 - Intel 8080 - osmibitový mikroprocesor, který se stal základem prvních osmibitových osobních počítačů 1975 - MOS Technology 6502 - osmibitový mikroprocesor, montovaný do Apple II, Commodore 64 a Atari1975 - MOS Technology 6502 - osmibitový mikroprocesor, montovaný do Apple II, Commodore 64 a Atari 1975 - Motorola 6800 - první procesor firmy Motorola1975 - Motorola 6800 - první procesor firmy Motorola 1975 - AMD nastupuje na trh s řadou Am29001975 - AMD nastupuje na trh s řadou Am2900 1976 - TI TMS 9900 - 16bitový mikroprocesor1976 - TI TMS 9900 - 16bitový mikroprocesor 1976 - Zilog Z80 - 8bitový mikroprocesor, s rozšířenou instrukční sadou Intel 8080, frekvence až 10 MHz1976 - Zilog Z80 - 8bitový mikroprocesor, s rozšířenou instrukční sadou Intel 8080, frekvence až 10 MHz 1978 - Intel 8086 - 16bitový mikroprocesor, první z architektury x861978 - Intel 8086 - 16bitový mikroprocesor, první z architektury x86 1978 - Intel 8088 - 16bitový mikroprocesor s osmibitovou sběrnicí, který byl použit v prvním IBM PC v roce 19811978 - Intel 8088 - 16bitový mikroprocesor s osmibitovou sběrnicí, který byl použit v prvním IBM PC v roce 1981 1979 - Motorola 68000 - 32/16bitový mikroprocesor1979 - Motorola 68000 - 32/16bitový mikroprocesor 1979 - Zilog Z8000 - 16bitový mikroprocesor1979 - Zilog Z8000 - 16bitový mikroprocesor 1980 - IBM 801 - 24bitový experimentální procesor s revoluční RISC architekturou dosahující vynikajícího výkonu1980 - IBM 801 - 24bitový experimentální procesor s revoluční RISC architekturou dosahující vynikajícího výkonu 1982 - Intel 80286 - 16bitový mikroprocesor1982 - Intel 80286 - 16bitový mikroprocesor 1985 - Intel 80386 - 32bitový mikroprocesor (měl 275 000 tranzistorů)1985 - Intel 80386 - 32bitový mikroprocesor (měl 275 000 tranzistorů) 1986 - Acorn ARM - 32bitový RISC mikroprocesor, z Advanced RISC Machine, původně Acorn RISC Machine, použit i v domácích počítačích1986 - Acorn ARM - 32bitový RISC mikroprocesor, z Advanced RISC Machine, původně Acorn RISC Machine, použit i v domácích počítačích 1989 - Intel 80486 - 32bitový mikroprocesor s integrovaným matematickým koprocesorem1989 - Intel 80486 - 32bitový mikroprocesor s integrovaným matematickým koprocesorem 1989 - Sun SPARC - 32bitový RISC mikroprocesor, z Scalable (původně Sun Processor ARChitecture)1989 - Sun SPARC - 32bitový RISC mikroprocesor, z Scalable (původně Sun Processor ARChitecture) 1992 - DEC Alpha - 64bitový RISC mikroprocesor1992 - DEC Alpha - 64bitový RISC mikroprocesor 1993 - Intel Pentium - 32bitový mikroprocesor nové generace (3,3 milionu tranzistorů)1993 - Intel Pentium - 32bitový mikroprocesor nové generace (3,3 milionu tranzistorů) 1995 - Intel Pentium Pro - 32bitový mikroprocesor nové generace pro servery a pracovní stanice (5,5 milionu tranzistorů)1995 - Intel Pentium Pro - 32bitový mikroprocesor nové generace pro servery a pracovní stanice (5,5 milionu tranzistorů) 1995 - Sun UltraSPARC - 64bitový RISC mikroprocesor1995 - Sun UltraSPARC - 64bitový RISC mikroprocesor 1997 - Intel Pentium II - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí MMX (7,5 milionu tranzistorů)1997 - Intel Pentium II - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí MMX (7,5 milionu tranzistorů) 1997 - Sun picoJava - mikroprocesor pro zpracování Java bytekódu1997 - Sun picoJava - mikroprocesor pro zpracování Java bytekódu 1999 - Intel Celeron - 32bitový mikroprocesor odvozený původně od Intel Pentium II pro nejlevnější PC1999 - Intel Celeron - 32bitový mikroprocesor odvozený původně od Intel Pentium II pro nejlevnější PC 1999 - Intel Pentium III - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí SIMD (9,5 milionu tranzistorů)1999 - Intel Pentium III - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí SIMD (9,5 milionu tranzistorů) 2000 - Intel Pentium 4 - 32bitový mikroprocesor s řadou technologií orientovaných na dosažení vysoké frekvence2000 - Intel Pentium 4 - 32bitový mikroprocesor s řadou technologií orientovaných na dosažení vysoké frekvence 2001 - Intel Itanium - 64bitový mikroprocesor nové generace pro servery2001 - Intel Itanium - 64bitový mikroprocesor nové generace pro servery 2003 - AMD Athlon 64 - 64bitový mikroprocesor nové generace pro desktopy s instrukční sadou AMD64, zpětně kompatibilní s x862003 - AMD Athlon 64 - 64bitový mikroprocesor nové generace pro desktopy s instrukční sadou AMD64, zpětně kompatibilní s x86 2006 - Core - 64bitová architektura, na které jsou postaveny procesory Core Duo, Core 2 Duo, Core Solo, Core 2 Quad2006 - Core - 64bitová architektura, na které jsou postaveny procesory Core Duo, Core 2 Duo, Core Solo, Core 2 Quad Všechny informace sehnány z webové stránky wilkipédia Vyrobil Petr Muller Vyrobil Petr Muller