Procesor (CPU)

1. Procesor(CPU) Filip Barič 3.E

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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

6. 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

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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. • 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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