▷ Was ist ein Prozessor und wie funktioniert er?

Heute werden wir Hardware sehen. Unser Team besteht aus einer Vielzahl elektronischer Komponenten, die zusammen Daten speichern und verarbeiten können. Der Prozessor, die CPU oder die Zentraleinheit ist ihre Hauptkomponente. Wir werden darüber sprechen, was ein Prozessor ist, was seine Komponenten sind und wie er im Detail funktioniert.

Fertig? Fangen wir an!

Inhaltsverzeichnis

Was ist ein Prozessor?

Als erstes müssen wir definieren, was ein Mikroprozessor ist, um alles andere zu wissen. Der Mikroprozessor ist das Gehirn eines Computers oder Computers. Er besteht aus einer integrierten Schaltung, die in einem Siliziumchip eingekapselt ist, der aus Millionen von Transistoren besteht. Seine Funktion besteht darin, die Daten zu verarbeiten, den Betrieb aller Geräte des Computers zu steuern, zumindest einen großen Teil davon, und vor allem: Er ist für die Durchführung der logischen und mathematischen Operationen verantwortlich.

Wenn wir es erkennen, sind alle Daten, die durch unsere Maschine zirkulieren, elektrische Impulse, die aus Signalen von Einsen und Nullen bestehen, die als Bits bezeichnet werden. Jedes dieser Signale ist in einem Satz von Bits gruppiert, aus denen Anweisungen und Programme bestehen. Der Mikroprozessor ist dafür verantwortlich, all dies zu verstehen, indem er grundlegende Operationen ausführt: SUMME, SUBTRAKT UND, ODER, MUL, DIV, GEGENÜBER UND INVERSE. Dann müssen wir zum Mikroprozessor:

• Es decodiert und führt die Anweisungen der Programme aus, die in den Hauptspeicher des Computers geladen sind. Koordiniert und steuert alle Komponenten des Computers und die daran angeschlossenen Peripheriegeräte, Maus, Tastatur, Drucker, Bildschirm usw.

Die Prozessoren haben derzeit normalerweise eine quadratische oder rechteckige Form und befinden sich auf einem Element, das als Sockel bezeichnet wird und an der Hauptplatine angebracht ist. Dies ist für die Verteilung der Daten zwischen dem Prozessor und den übrigen damit verbundenen Elementen verantwortlich.

Architektur eines Computers

In den folgenden Abschnitten sehen wir die gesamte Architektur eines Prozessors.

Von Neumann Architektur

Seit der Erfindung der Mikroprozessoren bis heute basieren sie auf einer Architektur, die den Prozessor in mehrere Elemente unterteilt, die wir später sehen werden. Dies nennt man Von Neumann-Architektur. Es ist eine Architektur, die 1945 vom Mathematiker Von Neumann erfunden wurde und die den Entwurf eines digitalen Computers beschreibt, der in eine Reihe von Teilen oder Elementen unterteilt ist.

Die aktuellen Prozessoren basieren noch weitgehend auf dieser grundlegenden Architektur, obwohl logischerweise eine große Anzahl neuer Elemente eingeführt wurde, bis wir die extrem vollständigen Elemente haben, die wir heute haben. Möglichkeit mehrerer Zahlen auf demselben Chip, Speicherelemente auf verschiedenen Ebenen, eingebauter Grafikprozessor usw.

Interne Teile eines Computers

Die grundlegenden Teile eines Computers gemäß dieser Architektur sind die folgenden:

• Speicher: ist das Element, in dem die vom Computer ausgeführten Anweisungen und die Daten, mit denen die Anweisungen arbeiten, gespeichert werden. Diese Anweisungen werden als Programm bezeichnet. Zentraleinheit oder CPU: Dies ist das Element, das wir zuvor definiert haben. Es ist verantwortlich für die Verarbeitung der Anweisungen, die aus dem Speicher eingehen. Eingabe- und Ausgabeeinheit: Es ermöglicht die Kommunikation mit externen Elementen. Datenbusse: sind die Spuren, Spuren oder Kabel, die die vorherigen Elemente physisch verbinden.

Elemente eines Mikroprozessors

Die Hauptteile eines Computers definiert und verstanden haben, wie Informationen durch ihn zirkulieren.

• Steuereinheit (UC): Dies ist das Element, das für die Erteilung von Befehlen über Steuersignale zuständig ist, z. B. die Uhr. Es sucht nach Befehlen im Hauptspeicher und leitet sie zur Ausführung an den Befehlsdecoder weiter. Innenteile:
  1. Clock: Erzeugt eine Rechteckwelle zum Synchronisieren von Prozessoroperationen. Programmzähler: Enthält die Speicheradresse des nächsten auszuführenden Befehls. Befehlssatz: Enthält den Befehl, der gerade ausgeführt wird. Sequenzer: Erzeugt elementare Befehle zur Verarbeitung des Unterrichts. Befehlsdecoder (DI): Er ist für die Interpretation und Ausführung der eingehenden Befehle verantwortlich und extrahiert den Operationscode des Befehls.

• Logische Recheneinheit (ALU): Sie ist für die arithmetischen Berechnungen (SUMME, SUBTRAKTION, MULTIPLIKATION, ABTEILUNG) und logischen Operationen (UND, ODER,…) verantwortlich. Innenteile.
  1. Betriebsschaltung: Sie enthalten die Multiplexer und Schaltungen zur Ausführung von Operationen. Eingangsregister: Die Daten werden vor dem Eintritt in den Betriebskreis gespeichert und betrieben. Akkumulator: speichert die Ergebnisse der durchgeführten Operationen. Statusregister (Flag): speichert bestimmte Bedingungen, die bei nachfolgenden Operationen berücksichtigt werden müssen.

• Gleitkommaeinheit (FPU): Dieses Element war nicht im ursprünglichen Architekturentwurf enthalten. Es wurde später eingeführt, als die Anweisungen und Berechnungen mit dem Erscheinungsbild der grafisch dargestellten Programme komplexer wurden. Diese Einheit ist für die Ausführung von Gleitkommaoperationen verantwortlich, dh reellen Zahlen. Datensatzbank und Cache: Heutige Prozessoren verfügen über einen flüchtigen Speicher, der eine Brücke zwischen RAM und CPU schlägt. Dies ist viel schneller als RAM und ist dafür verantwortlich, den Zugriff des Mikroprozessors auf den Hauptspeicher zu beschleunigen.

• Front Side Bus (FSB): Wird auch als Datenbus, Hauptbus oder Systembus bezeichnet. Es ist der Pfad oder Kanal, der den Mikroprozessor mit dem Motherboard kommuniziert, insbesondere mit dem Chip, der als North Bridge oder Nothbridge bezeichnet wird. Dies ist für die Steuerung des Betriebs des Haupt-CPU-Busses, des RAM und der Erweiterungsports wie PCI-Express verantwortlich. Die zur Definition dieses Busses verwendeten Begriffe lauten "Quick Path Interconnect" für Intel und "Hypertransport" für AMD.

Quelle: sleeperfurniture.co

Quelle: ixbtlabs.com

• Back Side BUS (BSB): Dieser Bus kommuniziert den Cache-Speicher der Ebene 2 (L2) mit dem Prozessor, sofern er nicht im CPU-Kern selbst integriert ist. Gegenwärtig haben alle Mikroprozessoren einen im Chip selbst eingebauten Cache-Speicher, so dass dieser Bus auch Teil desselben Chips ist.

Zwei oder mehr Kernmikroprozessor

Im selben Prozessor werden diese Elemente nicht nur im Inneren verteilt, sondern sie werden jetzt repliziert. Wir werden mehrere Prozessorkerne oder dieselben Mikroprozessoren in der Einheit haben. Jeder von diesen hat seinen eigenen Cache L1 und L2, normalerweise wird der L3 zwischen ihnen geteilt, paarweise oder zusammen.

Darüber hinaus haben wir für jeden der Kerne eine ALU, UC, DI und FPU, sodass sich die Geschwindigkeit und die Verarbeitungskapazität in Abhängigkeit von der Anzahl der Kerne vervielfachen. Neue Elemente erscheinen auch in den Mikroprozessoren:

• Integrierter Speichercontroller (IMC): Mit dem Erscheinen mehrerer Kerne verfügt der Prozessor nun über ein System, mit dem Sie direkt auf den Hauptspeicher zugreifen können. Integrierte GPU (iGP) - Die GPU übernimmt die Grafikverarbeitung. Dies sind meistens Gleitkommaoperationen mit Bitfolgen hoher Dichte, daher ist die Verarbeitung viel komplexer als bei normalen Programmdaten. Aus diesem Grund gibt es Mikroprozessorbereiche, in denen eine Einheit implementiert ist, die ausschließlich der Grafikverarbeitung gewidmet ist.

Einige Prozessoren wie AMD Ryzen verfügen nicht über eine interne Grafikkarte. Nur deine APUs?

Mikroprozessorbetrieb

Ein Prozessor arbeitet nach Anweisungen. Jede dieser Anweisungen ist ein Binärcode einer bestimmten Erweiterung, die die CPU verstehen kann.

Ein Programm ist daher ein Satz von Anweisungen, und um es auszuführen, muss es sequentiell ausgeführt werden, dh eine dieser Anweisungen zu jedem Schritt oder Zeitraum ausführen. Um eine Anweisung auszuführen, gibt es mehrere Phasen:

• Befehlssuche: Wir bringen den Befehl aus dem Speicher zum Prozessor. Befehlsdecodierung: Der Befehl ist in einfachere Codes unterteilt, die durch die CPU- gesteuerte Suche verständlich sind : Mit dem in die CPU geladenen Befehl müssen Sie den entsprechenden Operator finden Anweisung: Führen Sie die erforderliche logische oder arithmetische Operation aus. Speichern des Ergebnisses: Das Ergebnis wird zwischengespeichert

Jeder Prozessor arbeitet mit einem bestimmten Befehlssatz, der sich zusammen mit den Prozessoren entwickelt hat. Der Name x86 oder x386 bezieht sich auf die Anweisungen, mit denen ein Prozessor arbeitet.

Traditionell wurden 32-Bit-Prozessoren auch als x86 bezeichnet. Dies liegt daran, dass sie in dieser Architektur mit diesen Anweisungen des Intel 80386-Prozessors gearbeitet haben, der als erster eine 32-Bit-Architektur implementiert hat.

Diese Anweisungen müssen aktualisiert werden, um effizienter und mit komplexeren Programmen arbeiten zu können. Manchmal sehen wir, dass in den Anforderungen für die Ausführung eines Programms eine Reihe von Akronymen wie SSE, MMX usw. enthalten sind. Dies sind die Anweisungen, mit denen ein Mikroprozessor umgehen kann. Also haben wir:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): Sie ermöglichten es den CPUs, mit Gleitkommaoperationen zu arbeiten. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 usw.: Verschiedene Aktualisierungen dieser Anweisungen.

Prozessorinkompatibilität

Wir alle erinnern uns, wann ein Apple-Betriebssystem auf einem Windows- oder Linux-PC ausgeführt werden konnte. Dies liegt an der Art der Anweisungen der verschiedenen Prozessoren. Apple verwendete PowerPC-Prozessoren, die mit anderen Anweisungen als Intel und AMD arbeiteten. Somit gibt es mehrere Befehlsentwürfe:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): Es wird von Intel und AMD verwendet. Es geht darum, einige wenige Anweisungen zu verwenden, die jedoch komplex sind. Sie verbrauchen mehr Ressourcen und sind vollständigere Anweisungen, die mehrere Taktzyklen erfordern. RISC (Reduced Instruction Set Computer): Es wird von Apple, Motorola, IBM und PowerPC verwendet. Dies sind effizientere Prozessoren mit mehr Anweisungen, aber weniger Komplexität.

Derzeit sind beide Betriebssysteme kompatibel, da Intel und AMD eine Kombination von Architekturen in ihren Prozessoren implementieren.

Befehlsausführungsprozess

1. Der Prozessor startet neu, wenn er ein RESET-Signal empfängt. Auf diese Weise bereitet sich das System darauf vor, ein Taktsignal zu empfangen, das die Geschwindigkeit des Prozesses bestimmt. Im CP-Register (Programmzähler) die Speicheradresse, unter der das Die Steuereinheit (UC) gibt den Befehl aus, um den Befehl abzurufen, den der RAM in der Speicheradresse gespeichert hat, die sich im CP befindet. Dann sendet der RAM die Daten und wird bis auf den Datenbus gelegt Der UC verwaltet den Prozess und der Befehl wird an den Decoder (D) übergeben, um die Bedeutung des Befehls zu ermitteln. Dies geht dann durch die auszuführende UC. Sobald bekannt ist, was der Befehl ist und welche Operation auszuführen ist, werden beide in die ALU-Eingangsregister (REN) geladen. Die ALU führt die Operation aus und platziert das Ergebnis in der Datenbus und der CP wird 1 hinzugefügt, um den folgenden Befehl auszuführen.

Wie man weiß, ob ein Prozessor gut ist

Um zu wissen, ob ein Mikroprozessor gut oder schlecht ist, müssen wir uns jede seiner internen Komponenten ansehen:

Busbreite

Die Breite eines Busses bestimmt die Größe der Register, die durch ihn zirkulieren können. Diese Breite muss mit der Größe der Prozessorregister übereinstimmen. Auf diese Weise haben wir, dass die Breite des Busses das größte Register darstellt, das er in einer einzigen Operation transportieren kann.

In direktem Zusammenhang mit dem Bus steht auch der RAM-Speicher. Er muss in der Lage sein, jedes dieser Register mit der Breite zu speichern, die er hat (dies wird als Speicherwortbreite bezeichnet).

Was wir derzeit haben, wenn die Busbreite 32 Bit oder 64 Bit beträgt, dh wir können gleichzeitig Ketten von 32 oder 64 Bit transportieren, speichern und verarbeiten. Mit 32 Bit, die jeweils die Möglichkeit haben, 0 oder 1 zu sein, können wir eine Speichermenge von 2 ³² (4 GB) und mit 64 Bit 16 EB Exabyte adressieren. Dies bedeutet nicht, dass wir 16 Exabyte Speicher auf unserem Computer haben, sondern es repräsentiert die Fähigkeit, eine bestimmte Menge an Speicher zu verwalten und zu verwenden. Daher die berühmte Beschränkung von 32-Bit-Systemen auf nur 4 GB Speicher.

Kurz gesagt, je breiter der Bus, desto mehr Arbeitskapazität.

Cache-Speicher

Diese Speicher sind viel kleiner als RAM, aber viel schneller. Seine Funktion besteht darin, die Anweisungen zu speichern, die gerade verarbeitet werden sollen, oder die letzten, die verarbeitet werden. Je mehr Cache-Speicher vorhanden ist, desto höher ist die Transaktionsgeschwindigkeit, die die CPU aufnehmen und ablegen kann.

Hier müssen wir uns bewusst sein, dass alles, was den Prozessor erreicht, von der Festplatte kommt, und dies kann als enorm langsamer als RAM und noch mehr als Cache-Speicher bezeichnet werden. Aus diesem Grund wurden diese Halbleiterspeicher entwickelt, um den großen Engpass auf der Festplatte zu beheben.

Und wir werden uns fragen, warum sie dann nicht nur große Caches herstellen, die Antwort ist einfach, weil sie sehr teuer sind.

Interne Prozessorgeschwindigkeit

Internetgeschwindigkeit ist fast immer das Auffälligste, wenn man sich einen Prozessor ansieht. "Der Prozessor läuft mit 3, 2 GHz", aber was ist das? Geschwindigkeit ist die Taktfrequenz, bei der der Mikroprozessor arbeitet. Je höher diese Geschwindigkeit ist, desto mehr Operationen pro Zeiteinheit können ausgeführt werden. Dies führt zu einer höheren Leistung, weshalb ein Cache-Speicher vorhanden ist, um die Datenerfassung durch den Prozessor zu beschleunigen und immer die maximale Anzahl von Operationen pro Zeiteinheit auszuführen.

Diese Taktfrequenz ist durch ein periodisches Rechtecksignal gegeben. Die maximale Zeit für eine Operation beträgt einen Zeitraum. Die Periode ist die Umkehrung der Frequenz.

Aber nicht alles ist Geschwindigkeit. Es gibt viele Komponenten, die die Geschwindigkeit eines Prozessors beeinflussen. Wenn wir zum Beispiel einen 4-Core-Prozessor mit 1, 8 GHz und einen weiteren Single-Core-Prozessor mit 4, 0 GHz haben, ist der Quad-Core sicher schneller.

Busgeschwindigkeit

Ebenso wichtig wie die Geschwindigkeit des Prozessors ist auch die Geschwindigkeit des Datenbusses. Das Motherboard arbeitet immer mit einer viel niedrigeren Taktfrequenz als der Mikroprozessor. Aus diesem Grund benötigen wir einen Multiplikator, der diese Frequenzen anpasst.

Wenn wir zum Beispiel ein Motherboard mit einem Bus mit einer Taktfrequenz von 200 MHz haben, erreicht ein 10-facher Multiplikator eine CPU-Frequenz von 2 GHz.

Mikroarchitektur

Die Mikroarchitektur eines Prozessors bestimmt die Anzahl der Transistoren pro Entfernungseinheit. Diese Einheit wird derzeit in nm (Nanometer) gemessen. Je kleiner sie ist, desto mehr Transistoren können eingeführt werden, und desto mehr Elemente und integrierte Schaltkreise können untergebracht werden.

Dies wirkt sich direkt auf den Energieverbrauch aus. Kleinere Geräte benötigen weniger Elektronenfluss, sodass weniger Energie benötigt wird, um dieselben Funktionen wie in einer größeren Mikroarchitektur auszuführen.

Quelle: intel.es

Komponentenkühlung

Aufgrund der enormen Geschwindigkeit, die die CPU erreicht, erzeugt der Stromfluss Wärme. Je höher die Frequenz und Spannung ist, desto mehr Wärme wird erzeugt. Daher muss diese Komponente gekühlt werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun:

• Passive Kühlung: mittels Metalldissipatoren (Kupfer oder Aluminium), die mittels Rippen die Kontaktfläche zur Luft erhöhen. Aktive Kühlung : Zusätzlich zum Kühlkörper ist ein Lüfter angebracht, um einen erzwungenen Luftstrom zwischen den Lamellen des passiven Elements zu gewährleisten.

• Flüssigkeitskühlung: Sie besteht aus einem Kreislauf, der aus einer Pumpe und einem Lamellenkühler besteht. Das Wasser zirkuliert durch einen in der CPU befindlichen Block, das Flüssigkeitselement sammelt die erzeugte Wärme und transportiert sie zum Kühler, der durch Zwangsbelüftung die Wärme abführt und die Temperatur der Flüssigkeit wieder senkt.

Einige Prozessoren enthalten einen Kühlkörper. Normalerweise sind sie keine große Sache… aber sie dienen dazu, den PC zum Laufen zu bringen und gleichzeitig zu verbessern

• Kühlung durch Heatpipes: Das System besteht aus einem geschlossenen Kreislauf aus mit Flüssigkeit gefüllten Kupfer- oder Aluminiumrohren. Diese Flüssigkeit sammelt Wärme von der CPU und verdampft auf der Oberseite des Systems. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich ein Lamellenkühlkörper, der die Wärme der Flüssigkeit von der Innen- zur Außenluft austauscht. Auf diese Weise kondensiert die Flüssigkeit und fällt zurück zum CPU-Block.

Wir empfehlen

Dies schließt unseren Artikel darüber ab, was ein Prozessor ist und wie er im Detail funktioniert. Wir hoffen es hat euch gefallen.