PROCESORY Procesor (CPU – Central Processing Unit) je ústřední výkonnou jednotkou počítače, která čte z paměti instrukce a na jejich základě vykonává program. Primárním úkolem procesoru je řídit činnost ostatních částí počítače včetně vlastních jednotek a provádět matematické a logické operace s operandy (čísla ve dvojkovém vyjádření) na základě instrukcí. 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. Ten se podle typu procesoru skládá z jednodušších nebo složitějších instrukcí, které jsou řadičem procesoru přeloženy (dekódovány) na tzv. mikroinstrukce, pomocí kterých jsou řízeny ostatní části procesoru a počítače. Současné procesory jsou dnes realizovány jako integrovaný obvod s vysokou hustotou integrace součástek na čipu.
Typy procesorů a) MCU (Micro Controller Unit) - nejjednodušší skupina procesorů, tzv. mikrořadiče, jejichž uplatnění je velmi široké, od běžné spotřební elektroniky až po výkonné počítače. Mezi výhody těchto čipů patří nízká cena, malé rozměry a nízká spotřeba energie. Tyto procesory jsou vyráběny pro přesně určenou specifickou činnost a mají jen malou možnost rozšíření. Rovněž ve výkonnosti nedosahují vysokých hodnot. b) CPU (Central Processor Unit) - tvoří základní řídící jednotku počítače. Oproti předcházející skupině mají mnohem vyšší výkon, větší rozměry, je možné je díky jejich otevřené architektuře a velkému množství vyvedených signálů lépe rozšiřovat. Samozřejmě tyto výhody jsou zaplaceny vyšší spotřebou a ztrátovým výkonem, rovněž cena je vyšší než v předchozím případě. c) DSP (Digital Signal Processor) - je určitým kompromisem mezi oběma předcházejícími skupinami procesorů. Signálové procesory se většinou vyznačují vysokým výkonem v oblasti zpracování matematických výpočtů a schopností zpracovávat velké objemy dat. Součástí těchto procesorů jsou často i digitálně-analogové a analogově-digitální převodníky. DSP se používají například v oblasti měřící techniky (digitální osciloskop, atd.), ve zvukových kartách, atd. d) NPU (Network Processors Units) - jsou nedílnou součástí všech přepínačů, směrovačů a dalších síťových zařízení. Vedoucí pozici ve výrobě síťových procesorů má společnost Broadcom.
Vybrané významné parametry procesoru a) Rychlost procesoru – jedná se především o frekvenci jádra procesoru odvozenou od generátoru hodinových impulsů umístěného na základní desce. Udává se v [Hz], resp. [MHz], [GHz]. Procesor je prostřednictvím patice (socketu) připojen k lokální sběrnici FSB (Front Side Bus), prostřednictvím níž komunikuje s čipovou sadou na základní desce a tedy s ostatními částmi počítače. Frekvence procesoru je pak dána násobkem frekvence FSB sběrnice. MIPS (Milion Instructions Per Second) - jednotka označující počet instrukcí vykonaných procesorem za jednu sekundu v násobku miliónů. FLOPS (Floating Point Operations Per Second) - jednotka označující počet operací s čísly v pohyblivé řádové čárce (reálná čísla) za jednu sekundu. b) Šířka slova – šířka vnitřní datové sběrnice v bitech. Neboli, jak velké číslo dokáže procesor zpracovat během jedné operace. Podle šířky datové sběrnice se říká, že procesor je 8-bitový, 16-bitový, 32-bitový, 64-bitový c) Napájecí napětí jádra procesoru d) TDP (Termal Design Power) - maximální možný příkon (spotřeba), kterého mohou čipy dosáhnout při maximálním vytížení. Jednotkou je watt [W]). TDP souvisí se zahříváním procesoru. e) Patice (Socket) – slouží k uchycení procesoru na základní desce. Některé jednodušší procesory jsou strojově připájeny k základní desce bez možnosti pozdější výměny. Jednotlivé patice nejsou ve většině případů vzájemně kompatibilní (zaměnitelné). f)
Počet fyzických jader uvnitř procesoru – více fyzických jader procesoru umožňuje paralelní zpracování instrukcí a dat během jednoho hodinového taktu. Výrazně zvyšuje výkon procesoru, pokud paralelní zpracování podporuje operační systém a programová aplikace. (jádro = core)
g) Velikost vyrovnávací paměti (CACHE pamět) – uvnitř procesoru je umístěna vyrovnávací statická paměť první úrovně (L1), která urychluje práci samotného procesoru (dělí se na datovou a instrukční) a druhé úrovně (L2), která urychluje komunikaci mezi procesorem a operační pamětí. (L1 – kapacita desítky kB, L2 – kapacita jednotky až desítky MB) h) Velikost adresovatelné paměti – udává velikost operační paměti, kterou je procesor schopen používat (adresovat). Maximální velikost adresovatelné paměti jsou 4 GB pro 32-bitovou adresovou sběrnici (232 = 4.294.967.296, tedy 4 GB).
Základní části procesoru Každý procesor obsahuje 2 základní části: řadič a aritmeticko-logickou jednotku (viz. Blokové schéma samočinného počítače podle JvN). Dále obsahuje registry, což jsou rychlé paměti malé kapacity uvnitř jádra procesoru, které slouží k uchování aktuálních operandů (čísel), mezivýsledků a výsledků matematických a logických operací. Řadič (CU – Control Unit) Je aktivní částí procesoru. Jeho úkolem je řídit pořadí v němž jsou prováděny instrukce programů, dekóduje instrukce, vysílá do ostatních části počítače a procesoru řídící signály, čímž instrukce provádí. Aritmeticko-logická jednotka (ALU - Arithmetic-Logic Unit) Provádí s daty příslušné aritmetické a logické operace. Aritmetická operace – např. sčítání, odčítání, násobení, dělení, atd. Logická operace – např. porovnání neboli komparace čísel (<, >, =), atd. V současných procesorech existují další jednotky, mající za úkol co možná nejoptimálněji zvýšit jeho operační rychlost a stabilitu bez nutnosti použít „hrubé síly“, tedy zvyšovat základní pracovní kmitočet a napětí jádra procesoru (nevýhoda: zvýšení proudového odběru procesoru a tím i zvětšení vyzářeného tepla). Veškeré jednotky uvnitř procesoru pak tvoří tzv. mikroarchitekturu (resp. architekturu) procesoru, určující jeho vlastnosti. V současné době (rok 2008) jsou nejznámější tyto mikroarchitektury: Firma INTEL: 8088, 8086 80286, 80386, 80486 Pentium (Pentium Pro, Pentium MMX) Pentium II, Pentium III Pentium 4 (NetBurst) Core (Core Solo, Core Duo, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad) Firma AMD: Am386 Am486 AMD-K5, AMD-K6 Athlon Opteron, Athlon 64 (kódové označení AMD-K8) Athlon 64 X2 (Dual-core pro desktop PC), Turion 64 (mobile CPU) AMD K-10 (Quad-core)
Nejnovější procesory jíž obsahují více procesorových jader (core = jádro). Pokud je vícejádrový procesor podporován operačním systémem a konkrétní aplikací, lze instrukce zpracovávat paralelně. To znamená, že procesor může řešit více úloh současně, popřípadě jednu úlohu rozložit na více výpočetních jader.
Přehled dalších jednotek, které se nacházejí uvnitř architektury současných procesorů (rok 2008). Přehled není zcela vyčerpávající, jde pouze o nejvýznamnější části procesoru: FPU (Floating Point Unit) Jednotka určená k vykonávání operací s čísly s plovoucí řádovou čárkou (desetinná čísla). Jednotky FPU jsou dnes implementovány přímo v jádře procesoru, kdysi se na základní desce nacházel samostatný obvod, který se nazýval Matematický koprocesor. Vyrovnávací paměti CACHE vyznačují se velkou rychlostí a velmi krátkou přístupovou dobou. Slouží k vyrovnání rozdílů rychlostí mezi rychlejším a pomalejším zařízením. Procesorové paměti CACHE jsou děleny nejčastěji do 2 úrovní, u některých procesorů AMD až do 3 úrovní (úroveň – Level, úroveň se označuje písmenem „L“). L1 cache se nachází uvnitř procesoru nejblíže výpočetním jednotkám a je stejně rychlá jako procesor. Slouží k uchování aktuálně zpracovávaných dat procesorem. Rozděluje se na instrukční a datovou. L1 cache má nízkou kapacitu - řádově jednotky, resp. desítky kB. L2 cache je pomalejší, ale s větší kapacitou (řádově jednotky MB) a vyrovnává rychlost mezi rychlejším procesorem a pomalejší operační pamětí. V současnosti se nachází v pouzdře procesoru. Pokud se jedná o vícejádrový procesor, může být L2 cache: - nesdílená (každé jádro má vlastní L2 cache) - sdílená (jedna L2 cache může být společná více jádrům procesoru). Kapacita paměti se dynamicky alokuje pro každé jádro (technologie Advanced Smart Cache). Integrovaný řadič pamětí Některé moderní výkonné procesory mají integrován paměťový řadič přímo uvnitř procesoru. Běžně je součástí čipové sady (MCH – severní most).
Výhody integrace paměťového řadiče uvnitř procesoru: Řadič přímo v procesoru je od výpočetní části vzdálen v řádu milimetrů, nikoliv centimetrů, jak je tomu u běžných systémů (severní most). Menší vzdálenost znamená menší latence (zpoždění), možné vyšší rychlosti a větší spolehlivost. Řadič pracuje na mnohem vyšší frekvenci. Je vyráběn stejnou technologií jako procesor. S rychlostí procesoru roste i rychlost řadiče. Zlepšuje se kompatibilita s pamětí a tím i spolehlivost, protože nezávisle na použité čipové sadě na základní desce zůstává řadič pamětí stejný pro všechny systémy. Výrobci pamětí tak mají mnohem jednodušší práci - stačí otestovat kompatibilitu s procesorem a mohou prohlásit, že jejich paměť bude fungovat na všech systémech s tímto procesorem, bez ohledu na použitou čipovou sadu. Mohou to dokonce prohlásit i o budoucích verzích čipových sad. Často poměrně energeticky náročný řadič je chlazen společně s procesorem. Nevýhody integrace paměťového řadiče uvnitř procesoru: Procesor je vázán na jeden typ pamětí. Různé paměti vyžadují různá napětí a různý počet elektrických spojů s řadičem, technologie řadiče je proto přímo závislá na technologii pamětí a nelze jej upgradovat. V případě změny typu pamětí je nutné vyměnit nejen procesor, ale i základní desku, protože jiný počet spojů si vyžádá jiný socket procesoru a jiné elektrické specifikace. Prodlužuje se doba přenosu dat mezi grafickou kartou a pamětí. Zvýšení ztrátového výkonu (TDP) procesoru.
