▷ Onderdelen van een processor buiten en binnen: basisconcepten?

We weten toch allemaal ongeveer wat een CPU is, maar weten we echt wat de onderdelen van een processor zijn ? Elk van de belangrijkste, die nodig zijn voor dit kleine stukje silicium om grote hoeveelheden informatie te kunnen verwerken, waardoor de mensheid naar een tijdperk kan worden verplaatst waarin, zonder elektronische systemen, een volledig debacle zou zijn.

Processors maken al deel uit van ons dagelijks leven, vooral van mensen die de afgelopen 20 jaar zijn geboren. Velen zijn volledig vermengd met technologie, om nog maar te zwijgen van de kleintjes die een smartphone onder hun armen dragen in plaats van een brood… In al deze apparaten zit een gemeenschappelijk element, een processor genaamd, die verantwoordelijk is voor het geven van "intelligentie" aan de machines om ons heen. Als dit element niet bestond, zouden computers, mobiele telefoons, robots en assemblagelijnen, kortom, iedereen werk hebben… maar het zou onmogelijk zijn om te komen waar we ze hebben gemaakt, er is nog geen wereld zoals "Matrix" maar alles zal verdwijnen.

Inhoudsindex

Wat is een processor en waarom is deze zo belangrijk?

Allereerst moeten we ons ervan bewust zijn dat niet alleen een computer een processor heeft. Alle elektronische apparaten bevatten allemaal een element dat functioneert als een processor, of het nu een digitale klok, een programmeerbare automaat of een smartphone is.

Maar natuurlijk moeten we ons er ook van bewust zijn dat, afhankelijk van hun mogelijkheden en voor wat ze zijn vervaardigd, processoren min of meer complex kunnen zijn, van het eenvoudig uitvoeren van een opeenvolging van binaire codes tot het verlichten van een LED-paneel, tot het verwerken van enorme hoeveelheden informatie, inclusief leren van hen (Machine Learning en Artificial Intelligence).

De CPU of Central Processing Unit in het Spaans is een elektronisch circuit dat de taken en instructies in een programma kan uitvoeren. Deze instructies zijn sterk vereenvoudigd en komen neer op elementaire rekenkundige berekeningen (optellen, aftrekken, vermenigvuldigen en delen), logische bewerkingen (AND, OR, NOT, NOR, NAND) en invoer / uitvoer (I / O) -regeling. van de apparaten.

Vervolgens is de processor het element dat verantwoordelijk is voor het uitvoeren van alle bewerkingen die de instructies van een programma vormen. Als we onszelf in het perspectief van de machine plaatsen, worden deze bewerkingen teruggebracht tot eenvoudige ketens van nullen en enen, bits genoemd, en die de huidige / niet-huidige toestanden vertegenwoordigen, en zo binaire logische structuren vormen waartoe zelfs de mens in staat is. begrijpen en programmeren in machinecode, assembler of via een hogere programmeertaal.

De transistors, de boosdoeners van alles

Processors zouden niet bestaan, althans zo klein, ware het niet voor de transistors. Ze zijn als het ware de basiseenheid van elke processor en geïntegreerd circuit. Het is een halfgeleiderapparaat dat een elektrisch circuit sluit of opent of een signaal versterkt. Op deze manier kunnen we enen en nullen maken, de binaire taal die de CPU begrijpt.

Deze transistors begonnen als vacuümkleppen, enorme gloeilampachtige apparaten die de eigen commutaties van de transistor konden uitvoeren, maar met mechanische elementen in een vacuüm. Computers zoals de ENIAC of EDVAC hadden vacuümkleppen in plaats van transistors en ze waren enorm groot en verbruikten praktisch de energie van een kleine stad. Deze machines waren de eerste met Von Neumann-architectuur.

Maar in de jaren vijftig tot zestig werden de eerste transistor-CPU's gemaakt - in feite was het IBM in 1958 toen het zijn eerste halfgeleider-transistormachine creëerde met de IBM 7090. Sindsdien was de evolutie spectaculair, fabrikanten zoals Intel en later AMD begonnen de eerste processors voor desktopcomputers te maken, dankzij de revolutionaire x86-architectuur, dankzij de Intel 8086 CPU. Sterker nog, zelfs vandaag zijn onze desktopprocessors gebaseerd op deze architectuur, later zullen we de delen van de x86-processor zien.

Hierna begon de architectuur steeds complexer te worden, met kleinere chips en ook met de eerste introductie van meer kernen binnenin, en vervolgens met kernen speciaal voor grafische verwerking. Zelfs supersnelle geheugenbanken genaamd cachegeheugen en de verbindingsbus met het hoofdgeheugen, RAM, werden in deze kleine chips geïntroduceerd.

De externe delen van een processor

Na deze korte beoordeling van de geschiedenis van processors totdat we in onze tijd zijn, zullen we zien welke externe elementen een huidige processor heeft. We praten over fysieke elementen die aangeraakt kunnen worden en die in het zicht zijn van de gebruiker. Dit zal ons helpen de fysieke en connectiviteitsbehoeften van een processor beter te begrijpen.

Contactdoos

De CPU-socket of socket is een elektromechanisch systeem dat vast op een moederbord is geïnstalleerd en dat verantwoordelijk is voor het verbinden van de processor met de andere elementen op het bord en de computer. Er zijn verschillende basistypen stopcontacten op de markt en ook met veel verschillende configuraties. Er zijn drie elementen in uw naam of benaming die ons zullen laten begrijpen over welke we het hebben:

De fabrikant kan Intel of AMD zijn in het geval van pc's, dit is iets eenvoudigs te begrijpen. Wat betreft het type verbinding hebben we drie verschillende soorten:

• LGA: (grid contact array), betekent dat de contactpennen in de socket zelf zijn geïnstalleerd, terwijl de CPU alleen een platte contact array heeft. PGA: (grid array van pinnen), het is precies het tegenovergestelde van de vorige, het is de processor die de pinnen heeft en de socket de gaten om ze in te brengen. BGA: (ball grid array), in dit geval wordt de processor direct op het moederbord gesoldeerd.

Wat het laatste nummer betreft, het identificeert het type distributie of het aantal verbindingspinnen dat de CPU heeft met de socket. Er zijn er enorm veel in zowel Intel als AMD.

Substraat

Het substraat is in feite de PCB waarop de siliciumchip is geïnstalleerd die het elektronische circuit van de kernen bevat, genaamd DIE, is geïnstalleerd. De huidige processors hebben mogelijk meer dan één van deze elementen afzonderlijk geïnstalleerd.

Maar ook deze kleine print bevat de hele matrix van aansluitpennen met de aansluiting van het moederbord, bijna altijd verguld om de overdracht van elektriciteit te verbeteren, en met bescherming tegen overbelasting en stroompieken in de vorm van condensatoren.

STERVEN

De DIE is precies het vierkant of de chip die alle geïntegreerde schakelingen en interne componenten van een processor bevat. Visueel wordt het gezien als een klein zwart element dat uit het substraat steekt en contact maakt met het warmtedissipatie-element.

Omdat het hele verwerkingssysteem erin zit, bereikt de DIE ongelooflijk hoge temperaturen, dus deze moet worden beschermd door andere elementen.

IHS

Ook wel DTS of Integrated Thermal Diffuser genoemd, en de functie ervan is om alle temperatuur van de processorcores vast te leggen en over te dragen naar de heatsink die dit element heeft geïnstalleerd. Hij is gemaakt van koper of aluminium.

Dit element is een plaat of inkapseling die de DIE van buiten beschermt en er direct mee in contact kan komen door middel van koelpasta of direct gelast. Bij aangepaste gamingapparatuur verwijderen gebruikers deze IHS om heatsinks rechtstreeks in contact met de DIE te plaatsen met behulp van koelpasta in een vloeibare metaalverbinding. Dit proces wordt Delidding genoemd en heeft tot doel de processortemperaturen aanzienlijk te verbeteren.

Heatsink

Het laatste element dat ervoor zorgt dat zoveel mogelijk warmte wordt opgevangen en naar de atmosfeer wordt overgebracht. Het zijn kleine of grote blokken van aluminium en een koperen basis, voorzien van ventilatoren die het hele oppervlak helpen koelen door middel van een geforceerde luchtstroom door de lamellen.

Elke pc-processor heeft een koellichaam nodig om te functioneren en de temperatuur onder controle te houden.

Nou, dit zijn de onderdelen van een externe processor, nu gaan we het meest technische onderdeel zien, de interne componenten.

Von Neumann-architectuur

De computers van vandaag zijn gebaseerd op de architectuur van Von Neumann, de wiskundige die de taak had om in 1945 de eerste computers in de geschiedenis tot leven te wekken, weet je, ENIAC en zijn andere grote vrienden. Deze architectuur is in feite de manier waarop de elementen of componenten van een computer zijn verdeeld, zodat de werking ervan mogelijk is. Het bestaat uit vier basisonderdelen:

• Programma- en datageheugen: het is het element waar de uit te voeren instructies in de processor worden opgeslagen. Het bestaat uit opslagschijven of harde schijven, RAM met willekeurige toegang en programma's die de instructies zelf bevatten. Centrale verwerkingseenheid of CPU: dit is de processor, de eenheid die alle informatie bestuurt en verwerkt die afkomstig is van het hoofdgeheugen en invoerapparaten. Invoer- en uitvoereenheid: maakt communicatie mogelijk met randapparatuur en componenten die op de centrale eenheid zijn aangesloten. Fysiek konden we ze identificeren als de slots en poorten van ons moederbord. Databussen: zijn de sporen, sporen of kabels die de elementen fysiek verbinden, in een CPU zijn ze verdeeld in de controlebus, databus en de adresbus.

Multi-core processors

Voordat we beginnen met het opsommen van de interne componenten van een processor, is het erg belangrijk om te weten wat de cores van een processor zijn en hun functie daarin.

De kern van een processor is het geïntegreerde circuit dat verantwoordelijk is voor het uitvoeren van de nodige berekeningen met de informatie die er doorheen gaat. Elke processor werkt met een bepaalde frequentie, gemeten in MHz, wat aangeeft hoeveel bewerkingen hij kan uitvoeren. Welnu, huidige processors hebben niet alleen een kern, maar ook meerdere, allemaal met dezelfde interne componenten en in staat om instructies gelijktijdig uit te voeren en op te lossen in elke klokcyclus.

Dus als een kernprocessor één instructie in elke cyclus kan uitvoeren, als hij er zes heeft, kan hij zes van deze instructies in dezelfde cyclus uitvoeren. Dit is een dramatische prestatie-upgrade en dat is precies wat de huidige processors doen. Maar we hebben niet alleen kernen, maar ook verwerkingsdraden, die als een soort logische kernen zijn waardoor de draden van een programma circuleren.

Bezoek ons ​​artikel over: wat zijn de threads van een processor? Verschillen met de kernen om meer over het onderwerp te weten.

Interne onderdelen van een processor (x86)

Er zijn veel verschillende microprocessorarchitecturen en -configuraties, maar degene die ons interesseert, zit in onze computers en dit is ongetwijfeld de naam die x86 krijgt. We zouden het direct fysiek of schematisch kunnen zien om het een beetje duidelijker te maken, wetende dat dit allemaal in de DIE zit.

We moeten er rekening mee houden dat de besturingseenheid, rekenkundige logische eenheid, registers en FPU in elk van de processorcores aanwezig zullen zijn.

Laten we eerst eens kijken naar de belangrijkste interne componenten:

Controle-eenheid

In het Engels genaamd Conrol Unit of CU, is het verantwoordelijk voor het aansturen van de werking van de processor. Het doet dit door opdrachten in de vorm van stuursignalen te geven aan de RAM, de rekenkundige logische eenheid en de invoer- en uitvoerapparaten, zodat ze weten hoe ze de informatie en instructies die naar de processor worden gestuurd, moeten beheren. Ze verzamelen bijvoorbeeld gegevens, voeren berekeningen uit en slaan resultaten op.

Deze eenheid zorgt ervoor dat de rest van de componenten synchroon werken met behulp van klok- en timingsignalen. Vrijwel alle processors hebben dit apparaat binnen, maar laten we zeggen dat het buiten de kern van de verwerking zelf ligt. We kunnen op hun beurt de volgende onderdelen onderscheiden:

• Clock (CLK): het is verantwoordelijk voor het genereren van een vierkant signaal dat de interne componenten synchroniseert. Er zijn andere klokken die verantwoordelijk zijn voor deze synchronisatie tussen elementen, bijvoorbeeld de vermenigvuldiger, die we later zullen zien. Programmateller (CP): bevat het geheugenadres van de volgende uit te voeren instructie. Instructieregister (RI): slaat de instructie op die wordt uitgevoerd Sequencer en Decoder: interpreteert en voert de instructies uit via opdrachten

Rekenkundige logische eenheid

U zult dit zeker weten aan de hand van het acroniem "ALU". De ALU is verantwoordelijk voor het uitvoeren van alle rekenkundige en logische berekeningen met gehele getallen op bitniveau, deze eenheid werkt direct met de instructies (operanden) en met de operatie die de besturingseenheid haar heeft opgedragen (operator).

De operanden kunnen afkomstig zijn uit de interne registers van de processor of rechtstreeks uit het RAM-geheugen, ze kunnen zelfs worden gegenereerd in de ALU zelf als resultaat van een andere bewerking. De output hiervan zal het resultaat zijn van de operatie, zijnde een ander woord dat zal worden opgeslagen in een register. Dit zijn de basisonderdelen:

• Toegangsregisters (REN): ze bevatten de te beoordelen operanden. Operatiecode: de CU stuurt de operator zodat de operatie wordt uitgevoerd Accumulator of Resultaat: het resultaat van de operatie komt uit de ALU als een binair woord Statusregister (Vlag): het slaat verschillende condities op waarmee tijdens de operatie rekening moet worden gehouden.

Drijvende komma-eenheid

U kent het als FPU of Floating Point Unit. Het is in feite een update die is uitgevoerd door de nieuwe generatie processors en die gespecialiseerd is in de berekening van drijvende-kommabewerkingen met behulp van een wiskundige coprocessor. Er zijn eenheden die zelfs goniometrische of exponentiële berekeningen kunnen uitvoeren.

In wezen is het een aanpassing om de prestaties van de processors te verbeteren in de grafische verwerking, waar de uit te voeren berekeningen veel zwaarder en complexer zijn dan in normale programma's. In sommige gevallen worden de functies van de FPU door de ALU zelf uitgevoerd met behulp van een instructiemicrocode.

Records

De processors van vandaag hebben als het ware hun eigen opslagsysteem en de kleinste en snelste eenheid zijn de registers. Het is in feite een klein magazijn waar de instructies die worden verwerkt en de daaruit verkregen resultaten worden opgeslagen.

Cachegeheugen

Het volgende opslagniveau is cachegeheugen, dat ook extreem snel geheugen is, veel meer dan RAM-geheugen dat verantwoordelijk is voor het opslaan van de instructies die binnenkort door de processor zullen worden gebruikt. Of u probeert in ieder geval de instructies op te slaan waarvan u denkt dat ze zullen worden gebruikt, omdat er soms geen andere keuze is dan ze rechtstreeks bij RAM op te vragen.

De cache van huidige processors is geïntegreerd in dezelfde DIE van de processor en is verdeeld in in totaal drie niveaus, L1, L2 en L3:

• Level 1 Cache (L1): het is de kleinste na logs en de snelste van de drie. Elke verwerkingskern heeft zijn eigen L1-cache, die op zijn beurt is verdeeld in twee, de L1-gegevens die verantwoordelijk zijn voor het opslaan van de gegevens, en de L1-instructie, die de uit te voeren instructies opslaat. Het is meestal elk 32KB. Level 2 Cache (L2) - Dit geheugen is langzamer dan L2, maar ook groter. Elke kern heeft typisch zijn eigen L2, die ongeveer 256 KB kan zijn, maar in dit geval is deze niet rechtstreeks in het kerncircuit geïntegreerd. Level 3 Cache (L3): het is de langzaamste van de drie, hoewel veel sneller dan RAM. Het bevindt zich ook buiten de kernen en is verdeeld over verschillende kernen. Het varieert tussen 8 MB en 16 MB, hoewel het in zeer krachtige CPU's oploopt tot 30 MB.

Inkomende en uitgaande bussen

De bus is het communicatiekanaal tussen de verschillende elementen waaruit een computer bestaat. Het zijn de fysieke lijnen waardoor de gegevens circuleren in de vorm van elektriciteit, de instructies en alle elementen die nodig zijn om te verwerken. Deze bussen kunnen direct in de processor of daarbuiten op het moederbord worden geplaatst. Er zijn drie soorten bussen op een computer:

• Databus: zeker het gemakkelijkst te begrijpen, omdat het de bus is waardoor de door de verschillende componenten verzonden en ontvangen data circuleert, van of naar de processor. Dit betekent dat het een bidirectionele bus is en daardoor woorden zal circuleren met een lengte van 64 bits, de lengte die de processor aankan. Een voorbeeld van een databus zijn LANES of PCI Express Lines, die de CPU communiceren met de PCI-slots, bijvoorbeeld voor een grafische kaart. Adresbus: de adresbus circuleert geen gegevens, maar geheugenadressen om te lokaliseren waar de gegevens in het geheugen zijn opgeslagen. RAM is als een groot gegevensarchief dat is opgedeeld in cellen en elk van deze cellen heeft zijn eigen adres. Het is de processor die het geheugen om de gegevens vraagt door een geheugenadres te verzenden, dit adres moet zo groot zijn als cellen het RAM-geheugen hebben. Momenteel kan een processor geheugenadressen van maximaal 64 bits adresseren, dat wil zeggen dat we herinneringen van maximaal 2 ⁶⁴ cellen kunnen verwerken. Besturingsbus: de besturingsbus is verantwoordelijk voor het beheer van de twee vorige bussen, met behulp van besturings- en timingsignalen om synchroon en efficiënt gebruik te maken van alle informatie die naar of van de processor circuleert. Het zou zijn als de verkeerstoren van een luchthaven.

BSB, invoer / uitvoereenheid en vermenigvuldiger

Het is belangrijk om te weten dat de huidige processors niet de traditionele FSB of Front Bus hebben, die diende om de CPU te communiceren met de rest van de elementen van het moederbord, bijvoorbeeld chipset en randapparatuur via de noordbrug en de zuidbrug. Dit komt omdat de bus zelf in de CPU is gestoken als een invoer- en uitvoer (I / O) gegevensbeheereenheid die de RAM rechtstreeks met de processor communiceert alsof het de oude noordbrug is. Technologieën zoals HyperTransport van AMD of HyperThreading van Intel zijn verantwoordelijk voor het beheer van de uitwisseling van informatie over krachtige processors.

De BSB of Back Side Bus is de bus die verantwoordelijk is voor het verbinden van de microprocessor met zijn eigen cachegeheugen, normaal gesproken dat van L2. Op deze manier kan de Front Bus van een behoorlijke belasting worden bevrijd, waardoor de snelheid van de caches nog dichter bij de snelheid van de kern komt.

En tot slot hebben we de vermenigvuldigers, een reeks elementen binnen of buiten de processor die verantwoordelijk zijn voor het meten van de relatie tussen de CPU-klok en de klok van de externe bussen. Op dit moment weten we dat de CPU via bussen is verbonden met elementen zoals RAM, de chipset en andere randapparatuur. Dankzij deze multipliers is het mogelijk dat de CPU-frequentie veel sneller is dan de externe bussen, om meer data te kunnen verwerken.

Met een vermenigvuldiger van x10 kan bijvoorbeeld een systeem dat op 200 MHz werkt, op de CPU op 2000 MHz werken. In huidige processors kunnen we eenheden vinden met de multiplier ontgrendeld, dit betekent dat we de frequentie en daarmee de verwerkingssnelheid kunnen verhogen. We noemen dit overklokken.

IGP of interne grafische kaart

Om af te sluiten met de onderdelen van een processor mogen we de geïntegreerde grafische eenheid die sommigen van hen dragen niet vergeten. Voordat we hebben gezien wat een FPU is, en in dit geval worden we geconfronteerd met iets soortgelijks, maar met veel meer kracht, omdat het in feite een reeks kernen is die in staat zijn om de graphics van ons team onafhankelijk te verwerken, die voor wiskundige doeleinden zijn een enorme hoeveelheid drijvende-kommaberekeningen en grafische weergave die zeer processorintensief zouden zijn.

De IGP heeft dezelfde functie als een externe grafische kaart, die we via de PCI-Express-sleuf hebben geïnstalleerd, alleen op kleinere schaal of kracht. Het wordt de Integrated Graphics Processor genoemd omdat het een geïntegreerd circuit is dat in dezelfde processor is geïnstalleerd en de centrale eenheid ontlast van deze reeks ingewikkelde processen. Het zal handig zijn als we geen grafische kaart hebben, maar voorlopig heeft het geen vergelijkbare prestaties.

Zowel AMD als Intel hebben eenheden die IGP in de CPU integreren en worden daarom APU (Accelerated Processing Unit) genoemd. Een voorbeeld hiervan is bijna de hele Intel Core van de i-familie, samen met de AMD Athlon en enkele Ryzen.

Conclusie over de onderdelen van een processor

Welnu, we komen aan het einde van dit lange artikel waarin we op een min of meer eenvoudige manier zien wat de onderdelen van een processor zijn, zowel vanuit extern als intern oogpunt. De waarheid is dat het een zeer interessant onderwerp is, maar verdomd complex en lang om uit te leggen, waarvan de details het begrip van bijna iedereen die niet ondergedompeld zijn in de assemblagelijnen en fabrikanten van dit type apparaat, te boven gaan.

Nu laten we u een paar tutorials achter die voor u interessant kunnen zijn.

Als u vragen heeft of een probleem in het artikel wilt verduidelijken, nodigen we u uit om het in het opmerkingenveld te schrijven. Het is altijd goed om de mening en wijsheid van anderen te hebben.