Procesory – budowa i zasady działania

Prezentacja na temat: "Procesory – budowa i zasady działania"— Zapis prezentacji:

1 Procesory – budowa i zasady działania
Procesor (ang. processor), także CPU (ang. Central Processing Unit) – urządzenie cyfrowe sekwencyjne, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Wykonuje on ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora. Procesory (zwane mikroprocesorami) wykonywane są zwykle jako układy scalone zamknięte w hermetycznej obudowie, często posiadającej złocone wyprowadzenia (stosowane ze względu na odporność na utlenianie). Ich sercem jest monokryształ krzemu, na który naniesiono techniką fotolitografii szereg warstw półprzewodnikowych, tworzących, w zależności od zastosowania, sieć od kilku tysięcy do kilkuset milionów tranzystorów. Połączenia wykonane są z metalu (aluminium, miedź). Jedną z podstawowych cech procesora jest długość (liczba bitów) słowa, na którym wykonywane są podstawowe operacje obliczeniowe. Jeśli słowo ma 64 bity, mówimy, że procesor jest 64-bitowy. Innym ważnym parametrem określającym procesor jest szybkość z jaką wykonuje on rozkazy. Przy danej architekturze procesora, szybkość ta w znacznym stopniu zależy od czasu trwania pojedynczego taktu.

2 Budowa W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić takie elementy, jak: zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników, rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia lub mają specjalne przeznaczenie, jednostkę arytmetyczną (arytmometr) do wykonywania operacji obliczeniowych na danych, układ sterujący przebiegiem wykonywania programu, inne układy, w które producent wyposaża procesor w celu usprawnienia jego pracy. Rozmiary elementów Jednym z parametrów procesora jest rozmiar elementów budujących jego strukturę. Im są one mniejsze, tym niższe jest zużycie energii, napięcie pracy oraz wyższa możliwa do osiągnięcia częstotliwość pracy. Współczesne procesory używane w komputerach osobistych wykonywane są w technologii pozwalającej na uzyskanie elementów o rozmiarach 45 i 32 nm, pracujących z częstotliwością kilku GHz. Intel w roku wydał procesory wykonane w rozmiarze technologicznym 22 nm (Ivy Bridge). Aby ograniczyć straty związane z powstawaniem defektów w tak małych strukturach, fabryki procesorów muszą posiadać pomieszczenia o niezwykłej czystości, co jest bardzo kosztowne.

3 Wielordzeniowość i procesory pomocnicze
Współcześnie przeważnie używa się procesorów wielordzeniowych (mających 2, 4, 6, a nawet 8 rdzeni) CPU mają rdzenie taktowane zegarem nawet 4,4 GHz (np. i7-4790k), lecz nie występuje już wyraźny wzrost taktowania w kolejnych generacjach procesorów. Szybkość obliczeń jednak wzrasta dzięki zwiększaniu ilości tranzystorów i rdzeni w procesorach. Obecnie najwydajniejszym procesorem jest Intel Core i7 5960X (8 rdzeni i częstotliwość taktowania 3GHz, koszt wynosi ok zł) Komputer oprócz procesora głównego (CPU) posiada procesory pomocnicze: obrazu (GPU), dźwięku, koprocesory arytmetyczne. 6-rdzeniowy procesor w zbliżeniu

4 Procesor (CPU) - Zasada działania
Procesor stanowi główny element komputera, ponieważ jest odpowiedzialny za przetwarzanie informacji. Składa się z układów sterujących, arytmometru oraz rejestrów. Układy sterujące odpowiadają za dostarczanie do arytmometrów danych do obliczeń z pamięci operacyjnej, przekazywanie wyników z powrotem oraz za właściwa kolejność przetwarzania W arytmometrze odbywają się wszystkie obliczenia realizowane przez komputer. W rejestrach przechowywane są adresy wybranych miejsc pamięci operacyjnej oraz dane i wynik obliczeń. W wyróżnionym rejestrze- liczniku rozkazów umieszczany jest adres miejsca w pamięci wewnętrznej zawierającego bieżący rozkaz dla procesora. Praca procesora odbywa się w cyklach rozkazowych. Przebieg jednego cyklu rozkazowego: 1. Zawartość miejsca pamięci wewnętrznej wskazywanego przez licznik rozkazów LR zostaje przesłana do układów sterujących procesora 2. W układach sterujących następuje rozdzielenie otrzymanej informacji na dwa pola- pole operacji i pole argumentów. Pole operacji zawiera adres rozkazu, który należy wykonać. Pole argumentów zawiera adresy pod którymi są przechowywane dane oraz adres przeznaczenia wyniku. 3. Na podstawie wyznaczonych adresów następuje przesłanie z pamięci wewnętrznej argumentów do odpowiednich rejestrów. Na podstawie adresu rozkazów arytmometr wykonuje odpowiednie działanie na zawartości rejestru. 4. Wynik przetwarzania- wykonanej operacji jest wysyłany do pamięci wewnętrznej pod adres przeznaczenia wyniku. 5. Zmiana wartości licznika rozkazów, tak aby wskazywał kolejny rozkaz dla procesora

5 Rozkazy procesora Do typowych rozkazów wykonywanych przez procesor należą: kopiowanie danych z pamięci do rejestru z rejestru do pamięci z pamięci do pamięci (niektóre procesory) (podział ze względu na sposób adresowania danych) działania arytmetyczne dodawanie odejmowanie porównywanie dwóch liczb dodawanie i odejmowanie jedności zmiana znaku liczby działania na bitach iloczyn logiczny – AND suma logiczna – OR suma modulo 2 (różnica symetryczna) – XOR negacja – NOT przesunięcie bitów w lewo lub prawo skoki bezwarunkowe warunkowe

6 Zasada działania procesorów Core 2 Duo
Podstawową koncepcją architektury Core 2 Duo jest architektura SPM- Symmetrical MultiProcessing- w której wszystkie procesory maja jednakowy dostęp do pozostałych zasobów komputera. Od tej koncepcji firma Intel wyszła w swojej pierwszej konstrukcji dwurdzeniowej. Podwójne jądro procesorów Smithfield to w rzeczywistości konfiguracja SMP, złożona z dwóch niezależnych od siebie procesorów na jednych chipie. Kolejny procesor Presler to osobne dwa procesory Cedar Mill, umieszczone na wspólnej płytce. Dwa procesory połączone są ze sobą wspólną szyną FSB. Za pośrednictwem rej szyny odbywa się rozwiązywanie problemu architektur wieloprocesorowych. Kolejnym problemem w budowie procesorów wielordzeniowych jest problem spójności cache. Współczesne procesory wykonują operacje na danych zawartych w systemie pamięci podręcznych cache. Co prawda w zestawach instrukcji SSE przewidziano możliwość operacji z pominięciem cache. Jednak to rozwiązanie jest bardzo rzadko stosowane układach przewidzianych do stosowania w konfiguracjach wieloprocesorowych stosuje się system zachowania spójności cache(cache coherency). Spójność cache można rozwiązać poprzez zastosowanie w cache L2. Wystarczy, że pamięć będzie wspólna dla obydwu jąder. Rozwiązanie taki pozwala uzyskać także wiele korzyści. Każde z jąder ma dostęp do całej przestrzeni cache- uzyskuje to lepsze wykorzystanie pojemności. Rozwiązanie to sprawdziło się pod nazwia Advanced Smart Cache w architekturze "Yonah"- Intel Core Duo wyposażonych w cache L2 o pojemności 4MB. Możliwe jest także wykorzystanie przez jedno z jąder pamięci większej od 2MB pod warunkiem, że nie jest ona używana przez drugie jądro. Szyna FSB w Conroe jest taktowana jest częstotliwością 1066MHz, była zastosowana w Procesorach Pentium 4 i częstotliwość ta była zarezerwowana dla układów Extreme Edition(EE). Możliwe jest także przyspieszenie szyny do wartości 1,33Ghz.

7 Gniazdo procesora Rodzaje gniazd Slot Socket (na kolejnym slajdzie)
Gniazdo procesora (ang. CPU socket lub CPU slot) jest to rodzaj złącza znajdującego się na płycie głównej; pełni ono rolę interfejsu pomiędzy procesorem a pozostałymi elementami systemu komputerowego, umożliwiając jego współpracę z systemem za pośrednictwem odpowiednich magistrali i układów znajdujących się na płycie głównej. Na każdej płycie głównej musi być przynajmniej jedno takie gniazdo; determinuje ono rodzaj procesora, jaki jest przez nią obsługiwany. Podział gniazd slot – wyglądem przypomina sloty ISA, PCI i AGP socket – poziomo położona prostokątna płytka, zawierająca dziurki na piny procesora lub piny, na które wkłada się procesor Istnieje jeszcze wiele innych gniazd, które jednak są już niestosowane. Rodzaje gniazd Slot Slot 1 - Intel Celeron, Pentium II, Pentium III. Slot 2 - Intel Pentium II Xeon, Pentium III Xeon. Socket (na kolejnym slajdzie)

8 Sockety firmy Intel 40 pin - Intel 8086, Intel 8088. 68 pin - Intel 80186, Intel 80286, Intel Socket Socket Socket (3.3 V i 5 V). Socket 4 - Intel Pentium 60/66 MHz. Socket 5 - Intel Pentium MHz. Socket 7 - Intel Pentium, Pentium MMX. Socket 8 - Intel Pentium Pro. Socket Intel Pentium III, Celeron; Cyrix III; VIA C Gniazdo Socket 1 Socket Intel Pentium 4 z jądrem Willamette. Socket Intel Pentium 4, Celeron, Pentium 4 Extreme Edition, Pentium M. Socket Intel Pentium M i Celeron M. Socket Intel Atom. Micro-FCBGA - Intel Mobile Celeron, Core 2 Duo (mobile), Core Duo, Core Solo, Celeron M, Pentium III (mobile), Mobile Celeron. Socket Socket Intel Xeon. Socket Intel Xeon. LGA 771 (zwane także Socket 771 lub Socket J) - Intel Xeon. LGA 775 (zwane także Socket 775 lub Socket T) - Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium Extreme Edition, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon seria 3000, Core 2 Quad. PAC418 - Intel Itanium. PAC611 - Intel Itanium 2. LGA 1366 (zwane także Socket 1366 lub Socket B) - Intel Core i7. LGA 1156 (zwane także Socket 1156 lub Socket H) - Intel Core i7, Core i5, Core i3, Xeon, Pentium, Celeron. LGA 1155 (zwane także Socket 1155 lub Socket H2) - Intel Sandy Bridge, Ivy Bridge LGA 2011 (zwane także Socket R) - Intel Core i7 (Sandy Bridge-E, Ivy-Bridge-E) LGA 1150 (zwane także Socket 1150 lub Socket H3) - Intel Haswell, Broadwell

9 Źródła pl.wikipedia.org
Dziękujemy za obejrzenie prezentacji Jacek Grądowski i Ania Auer (1 ti)