Počítače XIV - CPU Centrum pro virtuální a moderní metody a formy vzdělávání na Obchodní akademii T.G. Masaryka, Kostelec nad Orlicí.

Prezentace na téma: "Počítače XIV - CPU Centrum pro virtuální a moderní metody a formy vzdělávání na Obchodní akademii T.G. Masaryka, Kostelec nad Orlicí."— Transkript prezentace:

1 Počítače XIV - CPU Centrum pro virtuální a moderní metody a formy vzdělávání na Obchodní akademii T.G. Masaryka, Kostelec nad Orlicí

2 Počítače XIV – CPU 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, vznikl mikroprocesor.

3 Počítače XIV – CPU Srovnání lícových stran procesorů
AM486 DX2-80 od AMD a i486 DX2-66 od Intelu

4 Počítače XIV – CPU 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

5 Počítače XIV – CPU Vnitřní datová sběrnice Určuje, kolik operací je procesor schopen zpracovat během jednoho cyklu. Datová sběrnice definuje i velikost jedné buňky paměti. Velikost vnitřní datové sběrnice je obvykle stejná jako velikost vnější datové sběrnice. Výjimku tvoří procesory 386SX (mají 16-ti bitovou vnější sběrnici a 32 bitovou vnitřní sběrnici) a procesory Pentium (mají 64 bitovou vnější sběrnici a 32 bitovou vnitřní datovou sběrnici). Logický obvod , dokáže zpracovat sadu jednoduchých mikroinstrukcí (pouze jednoduché příkazy) Instrukční sada, musí obsahovat např. instrukce pro přesuny dat mezi pamětí a registry, aritmetické a logické instrukce, instrukce pro řízení programu, několik systémových instrukcí nebo instrukce pro koordinaci ve víceprocesorovém prostředí Systém přerušení, je signál, vyslaný k mikroprocesoru hardwarem či programem, který zabírá procesor pro svého vysílatele (klasickým příkladem je stisk klávesy – po stisknutí klávesy odešle klávesnice signál přerušení, který okamžitě přeruší svou činnost a vykoná povel zadaný klávesou). Procesory mají vektorový systém přerušení, tzn. že každé přerušení je označeno číslem. Tyto čísla jsou uložena na určitém místě v operační paměti, v tabulce vektorů přerušení. Před skokem na vektor přerušení uloží mikroprocesor svůj momentální stav do speciálního registru(zásobníku). To mu umožní vrátit se po provedení pokynu na místo, kde byl přerušen. Mikroprocesor musí obsahovat i mechanismus, kterým přerušení dočasně zakáže.

6 Počítače XIV – CPU Správa paměti, „stojí“ mezi adresami generovanými programem a skutečnými adresami v operační paměti (přetváří první adresy na druhé pro lepší využití operační paměti) Neméně důležitým úkolem je chránit programy (aby souběžně pracující programy nevyužívaly stejné adresy v operační paměti). Druhý úkol správy paměti je zabezpečení; využívá nejméně dva režimy práce –systémový (povoleno vše) a uživatelský (povoleno to, co povolil program v systémovém režimu práce); brání programům v provádění destruktivních akcí. Paměť cache: mezisklad mezi různě rychlými komponentami počítače – z pomalejší se načtou data do cache a rychlejší komponenta nemusí čekat na pomalejší, ale čerpá data přímo z cache paměti; First level cache (L1) – přídavná paměť v mikroprocesoru (načítá data pro mikroprocesoru. ze sběrnic, které jsou oproti mikroprocesoru. pomalejší; běžná velikost 128kB – 1 MB) Second level cache (L2) – přídavná paměť na základní desce (načítá data, která proudí do mikroprocesoru. A skladuje je pro případ, že by je později ještě potřeboval; rychlejší než op. paměť; řadič této paměti je částečně schopen předpovídat, jaká data bude procesor ještě potřebovat a ty ukládá přednostně; běžná velikost 512kB – 4 MB)

7 Počítače XIV – CPU 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.

8 Počítače XIV – CPU Dělení procesorů
Jak už jsme zmínili, když to velmi zjednodušíme, procesor zastává v počítači podobnou 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 různé 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 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 32··bitové 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.

9 Počítače XIV – CPU 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 i v dalších oblastech. Nově se tedy procesory začínají dělit na jednojádrové a vícejádrové. Zvyšování počtu jader je v podstatě vynuceno fyzikálními omezeními, jako jsou rychlost světla a omezení výkonu dané potřebou procesor uchladit. Ukazuje se, že integrací většího počtu jednodušších jader je možno dosáhnout při stejné výrobní technologii na stejné ploše křemíku mnohem většího výpočetního výkonu než použitím jediného složitého jádra. Není dosud zcela jasné, kterým směrem se bude ubírat vývoj, systémy obsahující několik (např. 2 až 10) jader, jsou v podstatě jen konzervativním rozšířením současných procesorů. Otevřenou otázkou je, jakým způsobem bude řešena struktura, sdílení paměti a vzájemné vnitřní propojení a prosíťování např. u stojádrových, nebo tisícijádrových procesorů, jakým způsobem a jakými nástroji budou takové čipy programovány. V neposlední řadě vyvstává otázka, jak budou takovéto systémy obsluhovány operačním systémem. Něco naznačuje např. architektura zakázkového procesoru IBM, který je používán v Sony Playstation 3, kdy hlavní „složité“ jádro založené na architektuře PowerPC rozděluje práci šesti jednodušším DSP, vzájemně propojeným pomocí hradlového pole. Se zvětšováním počtu jader pravděpodobně dojde k jejich specializaci.

10 Počítače XIV – CPU 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 podobné, jako když potřebujete něco převézt s malým kufrem v autě. Rovněž vhodně navržená struktura periferií může výrazně odlehčit zátěž procesoru.

11 Počítače XIV – CPU RISC (anglicky Reduced Instruction Set Computer, výslovnost risk) označuje v informatice jednu z architektur mikroprocesorů. RISC označuje procesory s redukovanou instrukční sadou, jejichž návrh je zaměřen jednoduchou, vysoce optimalizovanou sadu strojových instrukcí, která je v protikladu se specializovanými sadami instrukcí ostatních architektur. Přesná definice termínu není jasná, avšak často se používá popisnější název architektura load-store. RISC: * procesor komunikuje s pamětí po sběrnici, * redukovaná sada strojových instrukcí obsahuje hlavně jednoduché instrukce, * délka provádění jedné instrukce je vždy jeden cyklus (tj. délka v bitech všech instrukcí je stejná), * mikroinstrukce jsou hardwarově implementovány na procesoru, čímž je velmi výrazně zvýšena rychlost jejich provádění, * registry jsou pouze víceúčelové (nezáleží, který z nich instrukce využije, což zjednodušuje návrh překladačů), * využívají řetězení instrukcí (pipelining).

12 Počítače XIV – CPU 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. Slot 1 Používal se hlavně pro připojení procesorů Intel Pentium II, Celeron a u některých Pentií III. Slot 1 vzhledem připomínal PCI.

13 Počítače XIV – CPU 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 mobilní počítače, výběhový) ··Socket 604 (Intel pro ··servery, výběhový) ··Socket 754 (AMD, výběhový) ··Socket 771 (Intel pro servery) ··Socket 775 (Intel) Socket LGA 1366 pro dražší varianty (Intel i7 a i3) Socket LGA 1156 pro levnější varianty (Intel) ··Socket 939 (AMD, výběhový) ··Socket 940 (AMD pro servery, výběhový) ··Socket AM2 (AMD, 1 a 2 jádrový) ··Socket AM2+ (AMD, 3 a 4 jádrový (Phenom) Socket AM3 (AMD Phenom a nejnovější) ··Socket F (AMD pro servery) Nové procesory AMD mají do vlastního procesoru integrován řadič operační paměti, proto mají větší počet pinů.

14 Počítače XIV – CPU 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. 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 kB na jádro (Level 1 cache), další úroveň má nyní 256kb-8MB 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.

15 Počítače XIV – CPU Socket 775
Socket 775 (socket T) je další na řadě po socketu 478. Vyznačuje se inovací uchyceni procesoru k patici ( poprvé LGA zkratka z anglické Land Grid Array), která podle Intelu je důležitá pro vyšší nároky napájení procesoru. V této řadě už na procesoru nenajdete piny, ale kontaktní plošky. Piny se nachází tentokrát na patici. Toto řešení se příznivě projevuje i v ceně procesorů pro tuto patici. K výrazným změnám došlo i v uchycení chladičů, které jsou teď upevněny přímo k základní desce. Toto řešení má několik výhod. Při montáži lze použít menší síly a navíc použitím „boxovaných“ chladičů dochází k lepšímu chlazení i okolních součástek na základní desce (typicky napájecí obvody procesoru). Mezi další vlastnosti patří například podpora DDR2 nebo možnost použít vícejádrové procesory. Podporované frekvence sběrnice FSB jsou 533/800/1066/1333/1600 MHz.

16 Počítače XIV – CPU Socket AM2
Socket AM2 (původně socket M2) je procesorová patice navržená pro desktopové procesory od AMD všech cenových segmentů. Vydána byla 23. května 2006 jako náhrada socketu 939 a socketu 754. Ačkoliv má 940 pinů, není kompatibilní se socketem 940, poněvadž ten nepodporuje dvojkanálové paměti typu DDR2. Socket AM2 podporuje operační paměti typu DDR2, které jsou schopny během jednoho hodinového cyklu přenést více dat, přičemž spotřebovávají méně elektrické energie než paměti typu DDR. Socket AM2 podporuje procesory Sempron 64, Athlon 64 jedno i dvoujádrové, Athlon FX a Opteron. Procesory pro socket AM2 podporují SSE3 instrukce a jsou vyráběny 90 nebo 65nm technologií. Socket AM2 je nahrazen socketem AM2+, který se bude lišit hlavně podporou HyperTransport 3.0. Procesory do socketu AM2+ budou zpětně kompatibilní s AM2, ale v tom případě poběží pouze s HyperTransportem ve verzi 2.0. Se socketem AM2 by v budoucnu měly být podle plánu AMD zpětně kompatibilní i procesory pro socket AM3, které budou obsahovat technologii DDR3.

17 Počítače XIV – CPU Socket AM2

18 Počítače XIV – CPU Historie mikroprocesorů
·· ··Intel první mikroprocesor - čtyřbitový Intel 4004 byl 4-bitový mikroprocesor, který byl uveden na trh 15. listopadu 1971 firmou Intel. Byl prvním mikroprocesorem, který se stal i obchodně úspěšným.

19 Počítače XIV – CPU Historie mikroprocesorů
·· ··Intel osmibitový mikroprocesor ·· ··Intel osmibitový mikroprocesor, který se stal základem prvních osmibitových osobních počítačů ·· ··MOS Technology osmibitový mikroprocesor, montovaný do ··Apple II, ··Commodore 64 a ··Atari ·· ··Motorola první procesor firmy ··Motorola ·· ··AMD nastupuje na trh s řadou ··Am2900 ·· ··TI TMS bitový mikroprocesor ·· ··Zilog Z80 - 8bitový mikroprocesor, s rozšířenou instrukční sadou Intel 8080, frekvence až 10 ··MHz ·· ··Intel bitový mikroprocesor, první z ··architektury x86 ·· ··Intel bitový mikroprocesor s osmibitovou sběrnicí, který byl použit v prvním ··IBM PC v roce 1981 ·· ··Motorola /16bitový mikroprocesor ·· ··Zilog Z bitový mikroprocesor ·· ··IBM bitový experimentální procesor s revoluční ··RISC architekturou dosahující vynikajícího výkonu ·· ··Intel bitový mikroprocesor ·· ··Intel bitový mikroprocesor (měl ··tranzistorů) ·· ··Acorn ARM - 32bitový ··RISC mikroprocesor, z Advanced RISC Machine, původně Acorn RISC Machine, použit i v domácích počítačích

20 Počítače XIV – CPU Intel bitový mikroprocesor s integrovaným matematickým koprocesorem Sun SPARC - 32bitový RISC mikroprocesor, z Scalable (původně Sun Processor ARChitecture) DEC Alpha - 64bitový RISC mikroprocesor Intel Pentium - 32bitový mikroprocesor nové generace (3,3 milionu tranzistorů) Intel Pentium Pro - 32bitový mikroprocesor nové generace pro servery a pracovní stanice (5,5 milionu tranzistorů) Sun UltraSPARC - 64bitový RISC mikroprocesor Intel Pentium II - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí MMX (7,5 milionu tranzistorů) Sun picoJava - mikroprocesor pro zpracování Java bytekódu Intel Celeron - 32bitový mikroprocesor odvozený původně od Intel Pentium II pro nejlevnější PC Intel Pentium III - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí SIMD (9,5 milionu tranzistorů) Intel Pentium bitový mikroprocesor s řadou technologií orientovaných na dosažení vysoké frekvence Intel Itanium - 64bitový mikroprocesor nové generace pro servery AMD Athlon bitový mikroprocesor nové generace pro desktopy s instrukční sadou AMD64, zpětně kompatibilní s x86 Intel Core - 64bitová architektura, na které jsou postaveny procesory Core Duo, Core 2 Duo,Core 2 Extreme, Core Solo, Core 2 Quad

21 Počítače XIV – CPU Athlon 64 Procesor Athlon 64
(známý také pod jmény „ClawHammer“, „Newcastle“, „Winchester“, „Venice“, „San Diego“ a „Orleans“), který reprezentuje vstup 64-bitových mikroprocesorů firmy AMD na běžný spotřebitelský trh, byl vypuštěn 23. září 2003. Tento procesor plně realizuje novou architekturu AMD64. Je to první AMD procesor s jádrem osmé generace (K8) pro desktopové a mobilní počítače. Nyní jsou k dispozici tři jeho varianty - Athlon 64, Athlon 64 FX, a dvoujádrový Athlon 64 X2. Nejlepší Athlon 64 FX je v pozici hardwarového produktu pro nadšence, který je vždy o jeden rychlostní stupeň nad nejrychlejším běžným Athlonem 64. Ačkoliv jsou jeho taktovací frekvence obvykle mnohem výše, všechny procesory Athlon 64 FX mají vždy jedno jádro s výjimkou nejnovějšího Athlonu 64 FX-60 (Toledo), který byl uvolněn 10. ledna 2006. Všechny procesory Athlon 64 FX mají své multiplikátory zcela otevřené, což je jasná výhoda vůči normálním Athlonům 64.

22 Athlon 64 3500+ Box (Venice) / socket 939
Počítače XIV – CPU Athlon Box (Venice) / socket 939

23 Athlon 64 (CG, Newcastle) v socketu 754
Počítače XIV – CPU Athlon 64 (CG, Newcastle) v socketu 754

24 Počítače XIV – CPU Intel Core
Core je architektura x86 procesorů firmy Intel, jež byla uvedena v roce 2006. Architektura Core je významně postavena na návrhu procesorů (P6) Pentium M. Proti architektuře Netburst, kterou nahrazuje, byla výrazně zkrácena instrukční pipeline. Následkem toho procesory Core nedosahují pracovních frekvencí starších procesorů, jejich reálný výkon je ale vyšší. V důsledku snížení pracovních frekvencí a vylepšeným řízení spotřeby bylo omezeno ztrátové teplo. Procesory založené na této architektuře ··Core 2 Duo pro stolní počítače ··Core 2 Extreme s „odemčeným“ násobičem ··Core 2 Quad ··Core 2 Duo pro notebooky (jádro Merom) některé ··Xeon pro víceprocesorové systémy Dvoujádrové procesory od Intelu s kódovým označením Conroe ve verzi Extreme Edition podporují sběrnici s taktem 1333MHz. Základní rodinu Conroe utvoří následující procesory: E6300, E6400, E6600 a E6700.

25 Počítače XIV – CPU Centrum pro virtuální a moderní metody a formy vzdělávání na Obchodní akademii T.G. Masaryka, Kostelec nad Orlicí Použity materiály, obrázky a parametry o PC komponentách z www stránek: „svethardware.cz“ „pctuning.cz“ „mironet.cz“ „alza.cz“ „czechcomputer.cz“ „cs.wikipedia.org“