Procesor (1) PDF

Procesor Central PROCESSING UNIT (CPU)  Aritmeticko-logická jednotka (ALJ / ALU) Riadiaca jednotka (RJ / CU) Základné Registre súčasti procesora Dekóder inštrukcií Cache pamäť Hodiny Bloková schéma procesora   Vykonáva základné a...

Procesor Central PROCESSING UNIT (CPU)  Aritmeticko-logická jednotka (ALJ / ALU) Riadiaca jednotka (RJ / CU) Základné Registre súčasti procesora Dekóder inštrukcií Cache pamäť Hodiny Bloková schéma procesora   Vykonáva základné aritmetické a logické operácie Aritmeticko-  Aritmetické operácie sú sčítanie, odčítanie, násobenie, delenie  Zložitejšie operácie skladá ako postupnosť jednoduchších operácií logická  Logické operácie sú porovnania väčší ako, menší ako, rovný jednotka  Jej hlavnými komponentmi sú logické hradlá (AND, OR, NOT, XOR) a komparátory pre porovnávanie hodnôt   Jej hlavným účelom je riadiť komunikáciu procesora s okolím prostredníctvom vnútorných zberníc (adresová, riadiaca, dátová)  Prenáša dáta z pamäte do ALJ pre vykonávanie výpočtov a Riadiaca následne ukladá výsledky späť do pamäte jednotka  Môže byť pevná (hardwired) alebo programovateľná (microprogrammable)  Výhodou pevnej je rýchlosť, výhodou programovateľnej je flexibilita   Vnútorné dočasné pamäte procesora, ktoré slúžia na ukladanie operandov pred vykonaním inštrukcie a tiež na uchovanie výsledkov operácie  Sú to najrýchlejšie pamäte v počítači  Najčastejšie používané registre:  Akumulátor Registre  Register inštrukcií  Register adries  Programové počítadlo  Register príznakov  Ukazovateľ zásobníka  Pomocné registre   Akumulátor – používa sa na ukladanie výsledkov operácií  Register inštrukcií – obsahuje kód práve vykonávanej inštrukcie  Register adries – obsahuje adresu dát alebo inštrukcií v pamäti RAM alebo cache, ktoré majú byť načítané Popis registrov  Programové počítadlo – obsahuje adresu nasledujúcej inštrukcie  Register príznakov – obsahuje príznaky (bity), ktoré hovoria o výsledku vykonanej operácie  Ukazovateľ zásobníka – ak procesor musel nečakane vykonať inú ako plánovanú operáciu, tento register si pamätá, kde procesor prestal, aby sa tam mohol vrátiť   Jeho úlohou je prečítať kód inštrukcie z inštrukčného registra a následne nastaviť potrebné signály pre jej vykonanie  Odošle potrebné signály do registrov, z ktorých sa pripravia operandy na vykonanie výpočtu na vstup do ALJ Dekóder inštrukcií  Následne nastaví ALJ tak, aby vykonala požadovanú aritmetickú alebo logickú operáciu  Môže tiež nastaviť signály pre RJ tak, aby RJ uložila dáta do pamäte   Je to vyrovnávacia pamäť v procesore, ktorej úlohou je vyrovnávať rýchlosti medzi pomalšími pamäťami (napr. RAM) a registrami procesora  V súčasných procesoroch máme tri úrovne cache - L1-inštrukčná, L1-dátová, L2, L3 Cache pamäť  Proces prenosu dát je RAM > L3 > L2 > L1 > registre pri načítavaní a opačný pri zapisovaní  Ak procesor zistí, že na výpočet bude potrebovať dáta z RAM, riadiaca jednotka mu ich pripraví z RAM cez jednotlivé úrovne cache, aby nemusel dlho čakať na ich spracovanie, pričom načítava celé bloky RAM, ktoré predpokladá, že sa budú využívať   Hodiny udávajú frekvenciu pre chod procesora a systémovej zbernice (FSB), ktorá komunikuje so severným mostíkom chipsetu  Sú tvorené oscilátorom, ktorým býva najčastejšie presný kryštál Hodiny  Čím je frekvencia impulzov vyššia, tým viac mikroinštrukcií dokáže procesor za sekundu vykonať ale tým sa aj viac zahrieva a spotrebováva viac energie  Pretože kryštálový oscilátor sa nedá ladiť, samotná frekvencia CPU je udávaná frekvenciou hodín a násobičom frekvencie, ktorý má meniteľnú hodnotu (na niektorých CPU môže byť uzamknutý) Rozmiestnenie elektroniky na čipe procesora Core i3 (7. gen) Rozmiestnenie elektroniky na čipe procesora AMD Ryzen 3 Inštrukčný cyklus CPU   Je to proces, počas ktorého sa spracuje jedna inštrukcia programu Fetch Fázy inštrukčného Store Decode cyklu Execute Operand   Počas tejto fázy sa vyberá inštrukcia pre spracovanie  Procesor sa pozrie do programového počítadla (register, v ktorom je adresa nasledujúcej inštrukcie) Fáza Fetch  Vyšle pokyn pre čítanie inštrukcie z pamäte (RAM alebo Cache) – vyslanie pokynu znamená nastavenie signálu pre čítanie a poslanie adresy pamäte, z ktorej sa má čítať  Inštrukcia sa následne prečíta z pamäte a uloží do registra inštrukcií   Počas tejto fázy dekóder inštrukcií na základe inštrukcie uloženej v registri inštrukcií nastaví zbernicu pre komunikáciu s pamäťou (ak je potrebné z nej načítať dáta) Fáza Decode  Následne nastaví ALJ pre vykonanie požadovanej inštrukcie   Takmer každá inštrukcia má operand – údaj, ktorý je vstupom pre danú inštrukciu (napríklad inkrementácia hodnoty v registri)  Niektoré inštrukcie majú aj viac operandov (napríklad inštrukcia pre sčítanie) Fáza Operand  V tejto fáze ma procesor za úlohu na vstup ALJ pripraviť potrebné operandy  Deje sa tak nastavením príslušných adries na adresovej zbernici a signálu pre čítanie z pamäte   Aritmetické hradlá (AND, OR, NOT) vykonajú s operandmi príslušnú operáciu, prípadne sa vykoná logická operácia porovnania operandov, ktorú zrealizujú komparátory  Informácia o úspešnosti vykonania operácie sa uloží aj do Fáza Execute stavového registra (program status word)  Táto fáza je z pohľadu koncového používateľa jediná užitočná, ostatné fázy predstavujú „nutné zlo“ a sú teda považované za „režijné náklady“ procesora   V prípade, že výsledkom operácie bola hodnota, ktorú je treba uložiť, vykoná sa táto posledná fáza inštrukčného cyklu  Procesor nastaví na adresnej zbernici adresu pre uloženie do pamäte Fáza Store  Následne vyšle po riadiacej zbernici signál pre zápis do pamäte  Po dátovej zbernici sa odošle výsledok inštrukcie smerom k pamäti Parametre a výroba CPU   Značka (AMD, Intel, ARM,...)  Typ procesora – Mobile, Desktop, Server  Socket  Počet jadier Parametre  Frekvencia CPU  Rýchlosť FSB (Hyper-Transport, QPI)  Cache  Šírka dátového slova  Výrobná technológia  TDP   Mobile CPU  Procesory s nižším výkonom  Optimalizovaná spotreba a teplotné vyžarovanie  Vhodné do zariadení, ktoré majú mať čo najdlhšiu výdrž – smartfóny, tablety, laptopy  Majú vstavanú GPU Mobile vs.  Desktop CPU  Univerzálne procesory s vyšším výkonom desktop vs.   Často sa dajú pretaktovať Vstavaná GPU server CPU  Stavané na bežné používanie (nie permanentnú záťaž)  Server CPU  Podpora multiprocesorových systémov a viac jadier (24/48)  Podpora ECC RAM pamätí, Väčšia cache  Nedajú sa pretaktovať, majú nižšie frekvencie (kvôli spotrebe)  Stavané na permanentnú záťaž (>90%)  Chýba vstavaná GPU   Atom - nízka spotreba, nízky výkon, mobilné a IoT zariadenia  Celeron – low-cost kancelárske počítače, cca 4 jadrá na 3.5 GHz  Pentium – bežné počítače, cca 4 jadrá s HT na 4.2 GHz Intel procesory  Core m3, i3, i5, i7, i9, X – výkonné domáce počítače a pracovné stanice, hlavná rada Intelu  Xeon – určený pre servery, umožňuje fungovať aj v multi-CPU režime, najvýkonnejší (03/2021) mal 56 jadier na 2,6 GHz  Max. jadier Max. frekvencia Max cache Core m3 2 1,1 GHz 4 MB Core i3 5 4,0 GHz 8 MB Core i5 6 4,1 GHz 12 MB Intel Core Core i7 8 4,0 GHz 16 MB Core i9 10 3,7 GHz 20 MB Core X 18 3,8 GHz 21 MB 03/2021   Athlon – pre low-cost počítače so 4 jadrami na 3,5 GHz  Ryzen 3, 5, 7, 9 – mainstream pre počítače s vyšším výkonom  Threadripper – pre výpočtovo náročné operácie ako rendering, AMD vedecké výpočty a podobne (do 64 jadier) procesory  Athlon Pro & Ryzen Pro – pracovné stanice s vyšším výkonom pre firmy  EPYC – pre servery, umožňuje fungovať aj v multi-CPU konfigurácii, 64 jadier na 2,6 GHz s 292 MB cache  Max. jadier Max. frekvencia Max cache Ryzen 3 4 3,8 GHz 18 MB Ryzen 5 6 3,7 GHz 35 MB Ryzen 7 8 3,8 GHz 36 MB AMD Ryzen Ryzen 9 16 3,7 GHz 72 MB 03/2021 Ukážka matičnej dosky pre serverové CPU Ako vyrábal procesory Intel Ako vyrábal procesory Intel Prechod na P-A-O model AMD model vývoja CPU Vývoj predaja CPU od Intelu a AMD v rokoch 2015-19  „Počet tranzistorov, ktoré môžu byť umiestnené na integrovaný obvod sa pri zachovaní rovnakej ceny zhruba každých 18 mesiacov zdvojnásobí.“  V roku 1965 ho formuloval pán Gordon Moore, jeden zo zakladateľov spoločnosti Intel Moorov zákon  S menšími fluktuáciami ešte stále platí (nebude platiť navždy kvôli fyzickým limitom výrobných technológií a chemických procesov)  Animácia, ktorá ukazuje platnosť Moorovho zákona na YouTube