▷ Wat is een processor en hoe werkt deze

Vandaag gaan we wat hardware zien. Ons team bestaat uit een groot aantal elektronische componenten die samen data kunnen opslaan en verwerken. De processor, CPU of centrale verwerkingseenheid is het belangrijkste onderdeel. We gaan het hebben over wat een processor is, wat de componenten ervan zijn en hoe deze in detail werkt.

Klaar? Laten we beginnen!

Inhoudsindex

Wat is een processor?

Het eerste dat we zullen moeten definiëren, is wat een microprocessor is om al het andere te weten. De microprocessor is het brein van een computer of computer en bestaat uit een geïntegreerd circuit dat is ingekapseld in een siliciumchip die bestaat uit miljoenen transistors. Zijn functie is om de gegevens te verwerken, de werking van alle apparaten van de computer te besturen, in ieder geval een groot deel ervan en vooral: hij is verantwoordelijk voor het uitvoeren van de logische en wiskundige bewerkingen.

Als we het beseffen, zijn alle gegevens die door onze machine circuleren elektrische impulsen, bestaande uit signalen van enen en nullen die bits worden genoemd. Elk van deze signalen is gegroepeerd in een reeks bits die instructies en programma's vormen. De microprocessor is verantwoordelijk voor het begrijpen van dit alles door basisbewerkingen uit te voeren: SOM, SUBTRACT, EN, OF, MUL, DIV, TEGENOVER EN INVERSE. Dan moeten we de microprocessor:

• Het decodeert en voert de instructies uit van de programma's die in het hoofdgeheugen van de computer zijn geladen. Coördineert en bestuurt alle componenten waaruit de computer bestaat en de randapparatuur die erop is aangesloten, muis, toetsenbord, printer, scherm, enz.

De processors zijn momenteel meestal vierkant of rechthoekig van vorm en bevinden zich op een element dat een socket wordt genoemd die aan het moederbord is bevestigd. Dit is verantwoordelijk voor het verspreiden van de gegevens tussen de processor en de rest van de elementen die erop zijn aangesloten.

Architectuur van een computer

In de volgende secties zien we de volledige architectuur van een processor.

Von Neumann-architectuur

Sinds de uitvinding van microprocessors tot op de dag van vandaag, zijn ze gebaseerd op een architectuur die de processor verdeelt in verschillende elementen die we later zullen zien. Dit heet Von Neumann-architectuur. Het is een architectuur uitgevonden in 1945 door de wiskundige Von Neumann die het ontwerp beschrijft van een digitale computer die is onderverdeeld in een reeks onderdelen of elementen.

De huidige processors zijn nog steeds grotendeels gebaseerd op deze basisarchitectuur, hoewel logischerwijs een groot aantal nieuwe elementen zijn geïntroduceerd totdat we de uiterst complete elementen hebben die we vandaag hebben. Mogelijkheid van meerdere nummers op dezelfde chip, geheugenelementen op verschillende niveaus, ingebouwde grafische processor, etc.

Interne onderdelen van een computer

De basisonderdelen van een computer volgens deze architectuur zijn de volgende:

• Geheugen: is het element waar de instructies die de computer uitvoert en de gegevens waarop de instructies werken, worden opgeslagen. Deze instructies worden het programma genoemd. Central Processing Unit of CPU: het is het element dat we eerder hebben gedefinieerd. Het is verantwoordelijk voor het verwerken van de instructies die uit het geheugen komen Invoer- en uitvoereenheid: communicatie met externe elementen is mogelijk. Databussen: zijn de sporen, sporen of kabels die de vorige elementen fysiek verbinden.

Elementen van een microprocessor

De belangrijkste onderdelen van een computer hebben gedefinieerd en hebben begrepen hoe informatie er doorheen circuleert.

• Regeleenheid (UC): het is het element dat verantwoordelijk is voor het geven van opdrachten via stuursignalen, bijvoorbeeld de klok. Het zoekt naar instructies in het hoofdgeheugen en geeft deze door aan de instructiedecoder om uit te voeren. Interne onderdelen:
  1. Klok: genereert een blokgolf om processorbewerkingen te synchroniseren Programmateller: bevat het geheugenadres van de volgende uit te voeren instructie Instructierecord: bevat de instructie die momenteel wordt uitgevoerd Sequencer: genereert elementaire opdrachten voor verwerking van instructie. Instructiedecoder (DI): het is verantwoordelijk voor het interpreteren en uitvoeren van de instructies die binnenkomen, waarbij de operatiecode van de instructie wordt geëxtraheerd.

• Logische rekeneenheid (ALU): het is verantwoordelijk voor het maken van de rekenkundige berekeningen (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) en logische bewerkingen (AND, OR,…). Interne onderdelen.
  1. Operationeel circuit: ze bevatten de multiplexers en circuits om operaties uit te voeren. Invoerregisters: de gegevens worden opgeslagen en bediend voordat ze het operationele circuit binnengaan Accumulator: slaat de resultaten op van de uitgevoerde bewerkingen Statusregister (Vlag): slaat bepaalde voorwaarden op waarmee bij volgende bewerkingen rekening moet worden gehouden.

• Floating point unit (FPU): Dit element zat niet in het oorspronkelijke architectuurontwerp, het werd later geïntroduceerd toen de instructies en berekeningen complexer werden met het verschijnen van de grafisch weergegeven programma's. Deze eenheid is verantwoordelijk voor het uitvoeren van drijvende-kommabewerkingen, dat wil zeggen reële getallen. Recordbank en cache: de processors van vandaag hebben een vluchtig geheugen dat overbrugt van RAM naar de CPU. Dit is veel sneller dan RAM en is verantwoordelijk voor het versnellen van de toegang van de microprocessor tot het hoofdgeheugen.

• Front Side Bus (FSB): Ook bekend als een databus, hoofdbus of systeembus. Het is het pad of kanaal dat de microprocessor communiceert met het moederbord, met name met de chip genaamd de noordbrug of nothbridge. Dit is verantwoordelijk voor het regelen van de werking van de belangrijkste CPU-bus, RAM en uitbreidingspoorten zoals PCI-Express De termen die worden gebruikt om deze bus te definiëren zijn "Quick Path Interconnect" voor Intel en "Hypertransport" voor AMD.

Bron: sleeperfurniture.co

Bron: ixbtlabs.com

• Back Side BUS (BSB): deze bus communiceert het niveau 2 cachegeheugen (L2) met de processor, zolang deze niet is geïntegreerd in de CPU-kern zelf. Momenteel hebben alle microprocessors een cachegeheugen ingebouwd in de chip zelf, dus deze bus maakt ook deel uit van dezelfde chip.

Twee of meer microprocessors

In dezelfde processor hebben we niet alleen deze elementen binnenin verdeeld, maar worden ze nu gerepliceerd. We zullen verschillende verwerkingskernen hebben of wat is hetzelfde meerdere microprocessors binnen de eenheid. Elk van deze heeft zijn eigen cache L1 en L2, normaal gesproken wordt de L3 tussen hen gedeeld, in paren of samen.

Daarnaast hebben we een ALU, UC, DI en FPU voor elk van de kernen, dus de snelheid en verwerkingscapaciteit vermenigvuldigen zich, afhankelijk van het aantal kernen dat het heeft. Er verschijnen ook nieuwe elementen in de microprocessors:

• Geïntegreerde geheugencontroller (IMC): Nu er meerdere kernen verschijnen, heeft de processor een systeem waarmee u rechtstreeks toegang hebt tot het hoofdgeheugen. Geïntegreerde GPU (iGP) - De GPU zorgt voor grafische verwerking. Dit zijn meestal drijvende-kommabewerkingen met bitstrings met hoge dichtheid, dus de verwerking is veel complexer dan normale programmagegevens. Hierdoor zijn er microprocessor-reeksen die daarin een eenheid implementeren die exclusief is bestemd voor grafische verwerking.

Sommige processors, zoals AMD Ryzen, hebben geen interne grafische kaart. Alleen uw APU's?

Microprocessor-werking

Een processor werkt volgens instructies, elk van deze instructies is een binaire code van een bepaalde extensie die de CPU kan begrijpen.

Een programma is daarom een ​​set instructies en om het uit te voeren, moet het opeenvolgend worden uitgevoerd, dat wil zeggen het uitvoeren van een van deze instructies bij elke stap of tijdsperiode. Om een ​​instructie uit te voeren zijn er verschillende fasen:

• Instructie zoeken: we brengen de instructie uit het geheugen naar de processor Instructie decodering: de instructie is verdeeld in eenvoudigere codes die begrijpelijk zijn voor de CPU. Operated search: met de instructie geladen in de CPU moet je de corresponderende operator vinden. Uitvoering van de instructie: voer de noodzakelijke logische of rekenkundige bewerking uit. Het resultaat opslaan: het resultaat wordt in de cache opgeslagen

Elke processor werkt met een bepaalde set instructies, deze zijn samen met de processors geëvolueerd. De naam x86 of x386 verwijst naar de set instructies waarmee een processor werkt.

Traditioneel worden 32-bits processors ook wel x86 genoemd, omdat ze in deze architectuur hebben gewerkt met deze set instructies van de Intel 80386-processor die als eerste een 32-bits architectuur implementeerde.

Deze set instructies moet worden bijgewerkt om efficiënter en met complexere programma's te werken. Soms zien we dat in de vereisten voor het uitvoeren van een programma een reeks acroniemen zoals SSE, MMX, enz. Dit zijn de instructies die een microprocessor kan verwerken. Dus we hebben:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): ze gaven de CPU's de mogelijkheid om met drijvende-kommabewerkingen te werken. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5, enz.: Verschillende updates voor deze set instructies.

Incompatibiliteit van de processor

We herinneren ons allemaal wanneer een Apple-besturingssysteem op een Windows- of Linux-pc kon draaien. Dit komt door het type instructies van de verschillende processors. Apple gebruikte PowerPC-processors, die met andere instructies dan Intel en AMD werkten. Er zijn dus verschillende instructieontwerpen:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): het is degene die wordt gebruikt door Intel en AMD, het gaat om het gebruik van een set van enkele instructies, maar complex. Ze verbruiken meer middelen, omdat het completere instructies zijn die verschillende klokcycli vereisen. RISC (Reduced Instruction Set Computer): het is degene die wordt gebruikt door Apple, Motorola, IBM en PowerPC, dit zijn efficiëntere processors met meer instructies, maar met minder complexiteit.

Momenteel zijn beide besturingssystemen compatibel omdat Intel en AMD een combinatie van architecturen in hun processors implementeren.

Instructie-uitvoeringsproces

1. De processor start opnieuw op bij het ontvangen van een RESET signaal, op deze manier bereidt het systeem zich voor door een kloksignaal te ontvangen dat de snelheid van het proces zal bepalen In het CP register (programmateller) het geheugenadres waarop de De besturingseenheid (UC) geeft de opdracht om de instructie op te halen die de RAM heeft opgeslagen in het geheugenadres dat zich in de CP bevindt. Vervolgens verzendt de RAM de gegevens en wordt deze op de databus geplaatst totdat die is opgeslagen in het RI (Instructieregister) De UC beheert het proces en de instructie gaat naar de decoder (D) om de betekenis van de instructie te vinden. Dit gaat dan door de uit te voeren UC.Zodra de instructie bekend is en welke bewerking moet worden uitgevoerd, worden beide in de ALU-invoerregisters (REN) geladen. De ALU voert de bewerking uit en plaatst het resultaat in de databus en de CP wordt 1 toegevoegd om de volgende instructie uit te voeren.

Hoe weet je of een processor goed is?

Om te weten of een microprocessor goed of slecht is, moeten we elk van zijn interne componenten bekijken:

Bus breedte

De breedte van een bus bepaalt de grootte van de registers die erdoor kunnen circuleren. Deze breedte moet overeenkomen met de grootte van de processorregisters. Op deze manier hebben we dat de breedte van de bus het grootste register vertegenwoordigt dat hij in één keer kan vervoeren.

Direct gerelateerd aan de bus zal ook RAM geheugen zijn, het moet elk van deze registers kunnen opslaan met de breedte die ze hebben (dit wordt de geheugenwoordbreedte genoemd).

Wat we momenteel hebben als de busbreedte 32 bits of 64 bits is, dat wil zeggen dat we tegelijkertijd ketens van 32 of 64 bits kunnen transporteren, opslaan en verwerken. Met 32 ​​bits die elk de mogelijkheid hebben om 0 of 1 te zijn, kunnen we een hoeveelheid geheugen adresseren van 2 ³² (4 GB) en met 64 bits 16 EB Exabytes. Dit betekent niet dat we 16 Exabytes aan geheugen op onze computer hebben, maar het vertegenwoordigt de mogelijkheid om een ​​bepaalde hoeveelheid geheugen te beheren en te gebruiken. Vandaar de beroemde beperking van 32-bits systemen om slechts 4 GB geheugen te adresseren.

Kortom: hoe breder de bus, hoe meer werkcapaciteit.

Cachegeheugen

Deze herinneringen zijn veel kleiner dan RAM, maar veel sneller. De functie is om de instructies op te slaan die net zullen worden verwerkt of de laatste die worden verwerkt. Hoe meer cachegeheugen, hoe hoger de transactiesnelheid die de CPU kan ophalen en neerzetten.

Hier moeten we ons ervan bewust zijn dat alles wat de processor bereikt van de harde schijf komt, en dit kan enorm langzamer zijn dan RAM en zelfs meer dan cachegeheugen. Het is om deze reden dat deze solid-state herinneringen zijn ontworpen om het grote knelpunt op de harde schijf op te lossen.

En we zullen ons afvragen, waarom maken ze dan niet alleen grote caches, het antwoord is simpel, omdat ze erg duur zijn.

Interne processorsnelheid

Internetsnelheid is bijna altijd het meest opvallende bij het kijken naar een processor. 'De processor werkt op 3, 2 GHz', maar wat is dit? Snelheid is de klokfrequentie waarmee de microprocessor werkt. Hoe hoger deze snelheid, hoe meer bewerkingen per tijdseenheid het kan uitvoeren. Dit vertaalt zich in hogere prestaties, daarom is er een cachegeheugen, om de gegevensverzameling door de processor te versnellen om altijd het maximale aantal bewerkingen per tijdseenheid uit te voeren.

Deze klokfrequentie wordt gegeven door een periodiek blokgolfsignaal. De maximale tijd om een ​​operatie uit te voeren is één periode. De periode is het omgekeerde van de frequentie.

Maar niet alles is snelheid. Er zijn veel componenten die de snelheid van een processor beïnvloeden. Als we bijvoorbeeld een 4-core processor hebben op 1, 8 GHz en een andere single-core op 4, 0 GHz, is de quad-core zeker sneller.

Bus snelheid

Net zoals de snelheid van de processor belangrijk is, is ook de snelheid van de databus belangrijk. Het moederbord werkt altijd op een veel lagere klokfrequentie dan de microprocessor, daarom hebben we een multiplier nodig die deze frequenties aanpast.

Als we bijvoorbeeld een moederbord hebben met een bus met een klokfrequentie van 200 MHz, bereikt een 10x-multiplier een CPU-frequentie van 2 GHz.

Microarchitectuur

De microarchitectuur van een processor bepaalt het aantal transistors per afstandseenheid erin. Deze eenheid wordt momenteel gemeten in nm (nanometer), hoe kleiner deze is, des te groter het aantal transistors kan worden geïntroduceerd, en daarom kunnen er meer elementen en geïntegreerde schakelingen worden ondergebracht.

Dit heeft direct invloed op het energieverbruik, kleinere apparaten hebben minder elektronenstroom nodig, dus er is minder energie nodig om dezelfde functies uit te voeren als in een grotere microarchitectuur.

Bron: intel.es

Component koeling

Door de enorme snelheid die de CPU bereikt, genereert de stroom de warmte. Hoe hoger de frequentie en spanning, hoe meer warmte er zal worden opgewekt, daarom moet deze component worden gekoeld. U kunt dit op verschillende manieren doen:

• Passieve koeling: door middel van metalen dissipatoren (koper of aluminium) die het contactoppervlak met de lucht vergroten door middel van lamellen. Actieve koeling : Naast het koellichaam is er ook een ventilator geplaatst die zorgt voor geforceerde luchtstroom tussen de vinnen van het passieve element.

• Vloeistofkoeling: het bestaat uit een circuit bestaande uit een pomp en een lamellenradiator. Het water wordt gecirculeerd door een blok in de CPU, het vloeistofelement vangt de opgewekte warmte op en transporteert het naar de radiator, die door middel van geforceerde ventilatie de warmte afvoert en de temperatuur van de vloeistof weer verlaagt.

Sommige processors bevatten een warmteafleider. Normaal gesproken zijn ze geen groot probleem… maar ze dienen om de pc aan de praat te krijgen en tegelijkertijd te verbeteren

• Koeling door Heatpipes: het systeem bestaat uit een gesloten circuit van met vloeistof gevulde koperen of aluminium buizen. Deze vloeistof verzamelt warmte van de CPU en verdampt naar de bovenkant van het systeem. Op dit punt is er een koelvin met lamellen die de warmte van de vloeistof van binnen naar buiten uitwisselt, op deze manier condenseert de vloeistof en zakt terug naar het CPU-blok.

We raden aan

Dit concludeert ons artikel over wat een processor is en hoe deze in detail werkt. We hopen dat je het leuk vond.