Procesory (CPU)

  • CPU ”Central Processing Unit” – centrální procesorová jednotka; u PC ji představuje integrovaný obvod (IC) – mikroprocesor (microprocessor)
  • mikroprocesor je tedy integrovaný obvod zajišťující funkce centrální procesorové jednotky (CPU) počítače; první vyrobil Intel v 1971
    • u počítačů IBM PC a slučitelných se používá převážně procesor z řady 80×86 firmy Intel (8086, 80286, 80386, 80486, Pentium, P6, Pentium 4) ajiné Intel-compatible např. procesor firmy AMD (kopie Intel, pak vlastní K5, K6, Athlon, Duron) a další
    • u počítačů Macintosh firmy Apple mikroprocesory firmy Motorola (68000, 68030, 68040)
    • nejvýznamnějšími výrobci mikroprocesorů ve světě jsou firmy Intel, AMD aMotorola
  • softwarová kompatibilita (slučitelnost) je dána typem použitého CPU
  • hlavní skupiny:
    • 8088, 8086, 80188, 80186
    • 80286
    • 80386, 80486, Pentium, P6, Pentium 4
    • Pentium Pro, Pentium Xeon
    • Itanium, Itanium II, Opteron
  • programy „optimalizované pro Pentium“ Pentium nevyžadují, pouze na něm běží rychleji

CPU specifikace

  • vnitřní a vnější frekvence (technologie výroby, napájení)
    • vnitřní taktovací kmitočet CPU (procesor frequency) – „rychlost“ procesoru
      • u prvních počítačů IBM PC činil 4.77 MHz, dnes se pohybují přes 3 GHz
    • taktovací kmitočet značně ovlivňuje výkonnost celého systému
    • hodnota taktovacího kmitočtu je přibližně úměrná rychlosti, s jakou mikroprocesor provádí nejzákladnější operace – strojové instrukce, celkovou výkonnost však také určuje šířka a taktovací kmitočet systémové sběrnice (FSB), použitá architektura obvodů apod.
    • vnější taktovací kmitočet – taktovací kmitočet systémové sběrnice (FSB)
    • PC je vybaveno časovacím obvodem (clock generator), který generuje jak vnitřní, tak vnější taktovací kmitočty – proto je vnitřní frekvence násobkem vnější
  • vnitřní šířka dat (šířka slova, registry)
    • šířka slova CPU – maximální počet bitů, které je možné zpracovat během jediné operace (vPC 16 – 32 bit)
    • interní registry – rychlá paměťová místa malé kapacity 16 – 64 bit
  • vnější šířka sběrnice FBS (šířka přenosu dat)
    • vnější šířka přenosu dat – maximální počet bitů, které je možné během jednoho taktu přenést z (do) CPU (8 – 128 bit)
    • šířka adresní části sběrnice – určuje max. velikost fyzické paměti, kterou je CPU schopno adresovat (20 – 36 vodičů) -> 1MB – 64GB fyzické paměti
    • (obyčejně omezeno chipsetem)
  • vyrovnávací paměti – Cache (L1, L2,…)
    • interní cache paměť – rychlé interní zásobníková (cache) paměti integrované přímo na čipu procesoru (vyrovnává rychlost přenosu dat z pomalejší FSB do registrů)
    • Level 1 (L1) – od 486 s 8 kB, 486DX4 s 16 kB, Pentium 2x8kB, po 2×16 kB
    • Level 2 (L2)
      • vyrovnává rychlost přenosu dat z pomalejší operační paměti
      • původně externí na MB 32kB – 2 MB
      • Pentium II přes BSB (back side bus) na desce CPU (SECC)
      • nyní interní v CPU 64 – 512 kB
    • instrukční sada
    • efektivnost mikroprogramů a počet kanálů (CPU pipelines)
    • adresování, správa a zabezpečení paměti
    • fyzické provedení (pouzdro – patice, chlazení)
    • spotřeba

CPU instrukce

  • každé CPU má pevně daný repertoár strojových instrukcí
  • délka strojové instrukce je 1 až několik bytů a obsahuje:
    • operační znak – určuje, o jakou instrukci se jedná, počet operandů
    • operandová část – určuje umístění jednotlivých operandů

CPU instrukční cyklus – pipeline

  • načtení instrukce (fetch) – z operační paměti nebo cache
  • dekódování instrukce (decode) – provádí dekoder instrukcí
  • získání operandů
  • provedení instrukce (execute)
  • zápis výsledků
    • P6 – 10 dílčích kroků
    • Pentium 4 – 20 dílčích kroků
  • pipelining – proudové zpracování – technika práce procesoru koncipovaná tak, aby v době, kdy jedna část procesoru provádí určitou fázi jedné instrukce, mohla jiná část procesoru pracovat na jiné fázi jiné instrukce

CPU superskalární architektura

  • instrukční kanály (instruction pipelines) – registry + dekodery instrukcí + ALU
    • do i80486 pouze jeden kanál
    • Pentium dva kanály (U a V) -> superskalární architektura
    • Pentium II tři kanály
    • ….

CPU efektivita mikrokódu

  • efektivita, se kterou jsou napsány jednotlivé mikroprogramy provádějící jednotlivé instrukce procesoru
  • počet taktů potřebných pro provedení jedné instrukce (např.: vynásobení dvou čísel)
    • 8088 cca 70 taktů
    • 80188 cca 25 taktů
    • 486 cca 2 takty
    • Pentium 1 takt

CPU instrukční sada

  • CISC (Complex Instruction Set Computer) – počítač s plným souborem instrukcí
  • RISC (Reduced Instruction Set Computer) – počítač s omezeným souborem instrukcí

Rozšíření

  • MMX – rozšíření o 57 speciálních instrukcí pro multimediální operace (např. práce s grafickými daty, zpracování zvuku, videa), které byly dříve zpracovávány samostatnými speciálními zvukovými a grafickými kartami (Pentium MMX, AMD K6)
  • SSE (Streaming SIMD Extension) Pentium III
  • SSE2 (Streaming SIMD Extension 2) Pentium 4
    • SIMD (Single instruction multiple data) zpracování více dat v jednom cyklu

CPU FPU a numerické koprocesory

  • FPU – float poin unit (numerický koprocesor) = speciální jednotka pro přímé provádění výpočtů v pohyblivé desetinné čárce
  • označení – pro 8086 -> 8087 až po 80386 -> 80387 (80487SX spec.)
  • od 80486 vestavěn v čipu CPU jako FPU

 

 

CPU fyzické provedení

a20

 

Pouzdro – patice

 

 

a21

SECC

a22

SECC

a23

 

SECC redukce

 

CPU Pentium 4

  • nová mikroarchitektura – Intel NetBurst
  • Hyper-pipelined technology – 20ti stupňový řetězec zpracování instrukcí
  • s vysokokapacitní systémovou sběrnicí (FSB) 400MHz (přenos až 3,2GB/s), 533MHz, 800MHz
  • nová technologie vyrovnávacích pamětí – execution trace cache a advance transfer cache
  • ALU pracuje na dvojnásobné frekvenci (některé instrukce vykonává během ½ cyklu)
  • aktualizace multimediální instrukční sady SS2 a vylepšené FPU
  • taktovací frekvence 1,3 – přes 3 GHz (dosud)

1.6         Ostatní

  • VIA Technologies Inc. – taiwanská společnost založena roku 1987, zabývající se vývojem, výrobou a prodejem integrovaných obvodů a mikročipů zahrnující čipové sady základních desek, mikroprocesory či paměti
  • Společnost NVIDIA Corporation se zabývá výrobou grafických čipů, grafických karet, čipových sad i celých základních desek; společnost byla založena v roce 1993 a v současné době patří mezi největší společnosti ve svém oboru; proslavila se především svými grafickými kartami GeForce a Quadro a také čipovými sadami nForce
  • ARM – architektura procesorů vyvinutá v Británii firmou ARM Limited
  • PowerPC – architektura mikroprocesorů typu RISC vytvořená aliancí Apple-IBM-Motorola roku 1991
  • Texas Instruments – licencovaný výrobce SPARC mikroprocesorů typu RISC
  • Samsung Electronics Co., Ltd. – společnost založena v roce 1969; svou produkci rozděluje do 4 hlavních segmentů: digitální média, polovodiče, informační a komunikační přístroje a domácí elektrospotřebiče; po celém světě zaměstnává cca 64 000 lidí; průkopník na trhu paměťových modulů a LCD obrazovek, či specializovaných čipů; za zmínku také stojí pokus Samsungu vyrábět automobily
  • jádro (kernel) – jádro operačního systému (Windows, Linux ad.)
    • hlavní úlohou jádra je přidělování procesorového času a paměťového prostoru aplikačním programům a ovládání zařízení pomocí ovladačů (driverů)
    • existují dva základní druhy jader – tzv. mikrokernel, které obsahuje jen základní funkce a makrokernel (nebo též monolitické jádro), jehož součástí jsou všechny služby operačního systému; obě řešení mají svá pro i proti, mikrojádro je nenáročné na paměťový prostor, ovšem volání různých funkcí běžících mimo jádro v aplikačním prostoru může ve výsledku operační systém výrazně zpomalovat; u makrojader je obecně problém s jejich komplexností a provázaností všech procesů, správa a odladění takového jádra je mnohem náročnější
    • kompromisem mezi výše uvedenými je tzv. modulární jádro, což je v podstatě makrojádro, ovšem některé funkce se řeší pomocí modulů, které lze připojovat i odpojovat za běhu systému; příkladem takového jádra je Linux
  • cache – vyrovnávací paměť – paměť cache se vždy vyznačuje velkou rychlostí a velmi krátkou přístupovou dobou; slouží k vyrovnání rozdílů mezi rychlejším a pomalejším zařízením, což ve výsledku zapříčiňuje značné zrychlení práce daného HW; s pamětí cache se setkáme u procesorů, pevných disků, vypalovacích mechanik atp.; v dnešních počítačích se běžně používají dva druhy cache pamětí:
    • externí (sekundární, L2) cache: paměť, která je umístěna mezi pomalejší operační pamětí a rychlým procesorem; tato paměť je vyrobena jako rychlá paměť SRAM a slouží jako vyrovnávací paměť u počítačů s výkonným procesorem, které by byly bez ní operační pamětí velmi zpomalovány; první externí cache paměti se objevují u počítačů s procesorem 80386; jejich kapacita je 32 kB popř. 64 kB; s výkonnějšími procesory se postupně zvyšuje i kapacita externích cache pamětí na 128 kB, 256 kB, 512 kB; externí cache paměť je osazena na základní desce počítače (výjimku tvoří procesory Pentium Pro a Pentium II, které mají externí cache paměť integrovánu v pouzdře procesoru) její činnost je řízena řadičem cache paměti
    • interní (primární, L1) cache: paměť, která slouží k vyrovnání rychlosti velmi výkonných procesorů a pomalejších pamět; tento typ cache paměti je integrován přímo na čipu procesoru a je také realizován pomocí paměti SRAM; interní cache paměť se objevuje poprvé u procesoru 80486 s kapacitou 8 kB; takovýto procesor musí mít v sobě integrován také řadič interní cache paměti pro řízení její činnosti
  • FSB = datová sběrnice zajišťující komunikaci mezi CPU a většinou ostatního HW v počítači (RAM, HDD, PCI, PCI-E …) ve spolupráci s chipsety; frekvence FSB je jeden z klíčových faktorů, které mají vliv na výkon počítače, resp. na některé jeho součásti; frekvence FSB je zásadní pro (rychlost FSB je jeden ze základních parametrů, jejichž změna se používá při overclockingu; příliš vysoké hodnoty můžou způsobit minimálně nestabilitu počítače):
    • CPU – obecně řečeno se pracovní frekvence procesoru dá spočítat jako (násobič CPU x frekvence FSB)
    • RAM – frekvence paměti RAM je přímo úměrná frekvenci FSB a zvolené deličce pamětí
    • rychlost FSB může ovlivňovat i rychlost AGP/PCI slotů, ale na většině moderních počítačů je nastavovaní rychlosti FSB oddělené od PCI (PCI-E) a AGP
  • Physical Address Extension (PAE) je v informačních technologiích metoda rozšíření adresního prostoru 32bitového režimu procesorů Pentium Pro a kompatibilních (včetně novějších, tj. procesory i686 od roku 1995) tak, aby bylo možné využít v počítači až 64 GiB RAM
  • wafer – základní disk z polovodiče používaný jako substrát, na kterém se vytvářejí mikroobvody; v drtivé míře z křemíku
  • fotolitografie – („optická litografie“) postup používaný při mikrovýrobě pro selektivní opracování částí tenkých vrstev nebo materiálu podložky (substrátu)
  • Hyper-threading (oficiálně Hyper-Threading Technology, též HT Technology, HTT, HT) = technologie používaná výrobcem procesorů Intel zjednodušené zajištění vícevláknového paralelního zpracování strojových instrukcí
  • multithreading – obecné označení pro schopnost programu sám sebe větvit – program se větví na tzv. vlákna (threads), která mohou běžet současně; možnost paralelního provádění několika větví výpočtu v rámci jednoho procesu nad jedním adresovým prostorem (vícevláknové aplikace); všechna vlákna (jedné aplikace) sdílejí systémové zdroje, např. paměť (na rozdíl od multitaskingu, kde jsou jednotlivé procesy zcela oddělené); čas vláknům přiděluje OS (podle jejich priorit)
  • APU (z anglického Accelerated Processing Unit) = čip, do kterého je v jednom pouzdře integrováno jádro (nebo jádra) CPU a GPU, tedy jak centrální procesorové tak grafické jednotky
  • skalární/superskalární architektura, NetBurst
  • mikrokód, registry
  • 32b, 64b (x86-64)
  • nm technologie
  • energetická náročnost
  • 1 a více jaderné procesory, Turbo Boost, virtualizace (VT-x)
  • overclocking